Beispiel des Großkanonischen Ensenbles: Unterschied zwischen den Versionen
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*>SchuBot K →Temperatur und chemisches Potential: Pfeile einfügen, replaced: --> → → |
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Illustration am Anhand von | Illustration am Anhand von | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{G}_{\nu }}=\left\{ H,N \right\} \\ | & {{G}_{\nu }}=\left\{ H,N \right\} \\ | ||
& {{h}_{\alpha }}=\left\{ V \right\} \\ | & {{h}_{\alpha }}=\left\{ V \right\} \\ | ||
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<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& R=\frac{1}{Z}{{e}^{-\sum\limits_{\nu }{{{\lambda }_{\nu }}{{G}_{\nu }}}}} \\ | & R=\frac{1}{Z}{{e}^{-\sum\limits_{\nu }{{{\lambda }_{\nu }}{{G}_{\nu }}}}} \\ | ||
& {{R}_{gk}}=\frac{1}{{{Z}_{gk}}}{{e}^{-{{\lambda }_{1}}H-{{\lambda }_{2}}N}} | & {{R}_{gk}}=\frac{1}{{{Z}_{gk}}}{{e}^{-{{\lambda }_{1}}H-{{\lambda }_{2}}N}} | ||
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oftmals <math>{{\lambda }_{1}}=\beta ,\quad {{\lambda }_{2}}=-\beta \mu </math> | oftmals <math>{{\lambda }_{1}}=\beta ,\quad {{\lambda }_{2}}=-\beta \mu </math> | ||
<math>\left( {{\lambda }_{1}},{{\lambda }_{2}} \right)\to \left( \beta ,\mu \right)</math> | :<math>\left( {{\lambda }_{1}},{{\lambda }_{2}} \right)\to \left( \beta ,\mu \right)</math> | ||
wir zeigen: | wir zeigen: | ||
<math>\beta =\frac{1}{kT}</math> Temperatur taucht auf muss gezeigt werden | :<math>\beta =\frac{1}{kT}</math> Temperatur taucht auf muss gezeigt werden | ||
<math>\mu</math> = Chemisches Potential ist die Energie die man braucht um 1 Teilchen hinzu zufügen | :<math>\mu</math> = Chemisches Potential ist die Energie die man braucht um 1 Teilchen hinzu zufügen | ||
<math>{{R}_{gk}}=\frac{1}{Z}{{e}^{-\beta \left( H-\mu N \right)}}</math> | :<math>{{R}_{gk}}=\frac{1}{Z}{{e}^{-\beta \left( H-\mu N \right)}}</math> | ||
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==Entropie== | ==Entropie== | ||
braucht man um Zustandsgleichung festzulegen | |||
:<math>S=S\left( \left\langle {{G}_{\nu }} \right\rangle ,{{h}_{\alpha }} \right)</math> | |||
:<math>\Rightarrow {{S}_{gk}}={{S}_{gk}}\left( \left\langle H \right\rangle ,\left\langle N \right\rangle ,V \right)</math> | |||
:<math>{{S}_{gk}}\left( E,\overline{N},V \right)=k\beta E-k\beta \mu \overline{N}+k\ln {{Z}_{gk}}\left( \beta \mu V \right)</math> | |||
Formel für Entropie siehe [[Kurzer_historischer_Überblick#Entropie|anfang der VL]] | |||
==Lagrangeparameter /Zustandsgleichung== | ==Lagrangeparameter /Zustandsgleichung== | ||
Beziehungen der partiellen Ableitungen aus Gibbsgleichung | |||
:<math>k{{\lambda }_{\nu }}={{\partial }_{\left\langle {{G}_{\nu }} \right\rangle }}S;\quad k\sum\limits_{\nu }{{{\lambda }_{\nu }}{{M}_{\nu ,\alpha }}={{\partial }_{{{h}_{\alpha }}}}S}</math> | |||
für <math>\nu=1</math> | |||
:<math>k{{\lambda }_{\nu }}={{\partial }_{\left\langle {{G}_{\nu }} \right\rangle }}S\Rightarrow k\beta ={{\left( \frac{\partial S}{\partial E} \right)}_{V,\bar{N}}};\quad k\sum\limits_{\nu }{{{\lambda }_{\nu }}{{M}_{\nu ,\alpha }}={{\partial }_{{{h}_{\alpha }}}}S}\Rightarrow {{\left( \frac{\partial S}{\partial N} \right)}_{E,\bar{N}}}=-k\beta \operatorname{Tr}\left( \frac{\partial H}{\partial V}R \right)</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
& k{{\lambda }_{\nu }}={{\partial }_{\left\langle {{G}_{\nu }} \right\rangle }}S\Rightarrow k\beta ={{\left( \frac{\partial S}{\partial E} \right)}_{V,\bar{N}\left( \left( \text{V},\text{N sind nicht anzufassen bei der partiellen Ableitung} \right) \right)}} \\ | |||
& k\sum\limits_{\nu }{{{\lambda }_{\nu }}{{M}_{\nu ,\alpha }}={{\partial }_{{{h}_{\alpha }}}}S}\Rightarrow {{\left( \frac{\partial S}{\partial N} \right)}_{E,\bar{N}}}=-k\beta \operatorname{Tr}\left( \frac{\partial H}{\partial V}R \right)\quad \left( {{\partial }_{V}}N\to 0 \right) \\ | |||
\end{align}</math> | |||
für <math>\nu=2</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
& -k\beta \mu ={{\left( \frac{\partial S}{\partial E} \right)}_{V,\bar{N}}} \\ | |||
& k{{\partial }_{V}}\ln {{Z}_{gk}}=k\beta p\Rightarrow p=\frac{1}{\beta }{{\partial }_{V}}\ln {{Z}_{gk}} \\ | |||
\end{align}</math> | |||
Man hat also Gleichungen für die Lagrangeparameter und die Zustandsgleichung für den Druck gewonnen. | |||
Lagrangeparameter noch nicht physikalisch bestimmt! | |||
vorweg genommen | |||
:<math>\begin{align} | |||
& {{T}^{-1}}={{\left( \frac{\partial S}{\partial E} \right)}_{V,\bar{N}}} \\ | |||
& \mu =-T{{\left( \frac{\partial S}{\partial \bar{N}} \right)}_{V,E}} \\ | |||
& p=kT{{\partial }_{V}}\left( \ln {{Z}_{gk}} \right) | |||
\end{align}</math> | |||
==Temperatur und chemisches Potential== | ==Temperatur und chemisches Potential== | ||
es ist zu zeigen, dass die Temperaturdefinition sinnvoll ist | |||
:<math>{{T}^{-1}}=\left( \frac{\partial S}{\partial E} \right)</math> | |||
sonst darf man es nicht Temeratur nennen | |||
dazu zeigen: | |||
:<math>{{\left( \frac{\partial S}{\partial E} \right)}_{V,\bar{N}}}</math> ist als Eigenschaft bei 2 System die in Konakt über eine Grenzfläche stehen gleich | |||
{| class="wikitable" border="1" | |||
|+ 2 insgesamt Abgeschlossene Systeme, die in Konakt über eine Grenzfläche stehen | |||
! System 1!! System 2 | |||
|- | |||
| <math>{{{\bar{N}}}_{1}},{{V}_{1}},{{E}_{1}}</math> | |||
|| | |||
:<math>{{{\bar{N}}}_{2}},{{V}_{2}},{{E}_{2}}</math> | |||
|} | |||
:<math>\begin{align} | |||
& E={{E}_{1}}+{{E}_{2}} \\ | |||
& V={{V}_{1}}+{{V}_{2}} \\ | |||
& \bar{N}={{{\bar{N}}}_{1}}+{{{\bar{N}}}_{2}} \\ | |||
\end{align}</math> | |||
Zu zeugen: | |||
:<math>S\overset{!}{\mathop{=}}\,{{S}_{1}}+{{S}_{2}}</math> | |||
:<math>S\tilde{\ }\operatorname{Tr}\left( \rho \ln \rho \right)=\operatorname{Tr}\left( {{\rho }_{1}}{{\rho }_{2}}\ln \left( {{\rho }_{1}}{{\rho }_{2}} \right) \right)</math> | |||
statistischer Operator faktorisiert für '''kleine''' Grenzflächen | |||
:<math>\operatorname{Tr}\left( {{\rho }_{1}}{{\rho }_{2}}\ln \left( {{\rho }_{1}} \right) \right)+\operatorname{Tr}\left( {{\rho }_{1}}{{\rho }_{2}}\ln \left( {{\rho }_{2}} \right) \right)</math> | |||
mit | |||
:<math>\operatorname{Tr}\overset{\wedge}{=}\left\langle {{n}_{1}} \right|\left\langle {{n}_{2}} \right|\ldots \left| {{n}_{1}} \right\rangle \left| {{n}_{2}} \right\rangle </math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
& ={{\operatorname{Tr}}_{1}}\left( {{\rho }_{1}}\ln \left( {{\rho }_{1}} \right) \right)\underbrace{{{\operatorname{Tr}}_{2}}\left( \rho \right)}_{1}+{{\operatorname{Tr}}_{2}}\left( {{\rho }_{2}}\ln \left( {{\rho }_{2}} \right) \right)\underbrace{\operatorname{Tr}\left( {{\rho }_{1}} \right)}_{1} \\ | |||
& \Rightarrow S={{S}_{1}}+{{S}_{2}} | |||
\end{align}</math> | |||
Kleine differnentielle Änderungen: | |||
:<math>\begin{align} | |||
& dE=d{{E}_{1}}+d{{E}_{2}}=0\to -d{{E}_{1}}=d{{E}_{2}} \\ | |||
& dV=d{{V}_{1}}+d{{V}_{2}}=0\to -d{{V}_{1}}=d{{V}_{2}} \\ | |||
& d\bar{N}=d{{{\bar{N}}}_{1}}+d{{{\bar{N}}}_{2}}=0\to -d{{{\bar{N}}}_{1}}=d{{{\bar{N}}}_{2}} \\ | |||
& \underbrace{dS=d{{S}_{1}}+d{{S}_{2}}=0}_{\begin{smallmatrix} | |||
Gesamtsytem \\ | |||
abgeschlossen | |||
\end{smallmatrix}}\to -d{{S}_{1}}=d{{S}_{2}} | |||
\end{align}</math> | |||
"rüberschieben auf andere Seite" | |||
nutze bei dS: | |||
:<math>\begin{align} | |||
& d{{S}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}=\frac{\partial {{S}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}}{\partial {{V}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}}d{{V}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}+\frac{\partial {{S}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}}{\partial {{{\bar{N}}}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}}d{{{\bar{N}}}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}+\frac{\partial {{S}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}}{\partial {{E}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}}d{{E}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}} \\ | |||
& d{{S}_{1}}=-d{{S}_{2}} | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{V}_{1}}}d{{V}_{1}}+\frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{{\bar{N}}}_{1}}}d{{{\bar{N}}}_{1}}+\frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{E}_{1}}}d{{E}_{1}}=-\frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{V}_{2}}}d{{V}_{2}}-\frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{{\bar{N}}}_{2}}}d{{{\bar{N}}}_{2\;}}-\frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{E}_{2}}}d{{E}_{2}}</math> | |||
mit | |||
:<math>d{{E}_{1}}=-d{{E}_{2}},-d{{{\bar{N}}}_{1}}=d{{{\bar{N}}}_{2}},-d{{V}_{1}}=d{{V}_{2}}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
& \left( \frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{E}_{1}}}-\frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{E}_{2}}} \right)d{{E}_{2}}=0 \\ | |||
& \left( \frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{{\bar{N}}}_{1}}}-\frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{{\bar{N}}}_{2}}} \right)d{{{\bar{N}}}_{2}}=0 \\ | |||
& \left( \frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{V}_{1}}}-\frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{V}_{2}}} \right)d{{V}_{2}}=0 | |||
\end{align}</math> | |||
weil N,V,E unabhängig variiert werden können gilt für alle | |||
:<math>d{{E}_{2}}</math>,<math>d{{{\bar{N}}}_{2}}</math>, | |||
:<math>d{{V}_{2}}</math> | |||
→ folgende Eigenschaften des Systems im Kontakt sind gleich: | |||
:<math>\begin{align} | |||
& {{\left( \frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{E}_{1}}} \right)}_{{{V}_{1}},{{{\bar{N}}}_{1}}}}={{\left( \frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{E}_{2}}} \right)}_{{{V}_{2}},{{{\bar{N}}}_{2}}}} \\ | |||
& {{\left( \frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{{\bar{N}}}_{1}}} \right)}_{{{V}_{1}},{{E}_{1}}}}={{\left( \frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{{\bar{N}}}_{2}}} \right)}_{{{V}_{2}},{{E}_{2}}}} \\ | |||
& {{\left( \frac{\partial {{S}_{1}}}{\partial {{V}_{1}}} \right)}_{{{E}_{1}},{{{\bar{N}}}_{1}}}}={{\left( \frac{\partial {{S}_{2}}}{\partial {{V}_{2}}} \right)}_{{{E}_{2}},{{{\bar{N}}}_{2}}}} | |||
\end{align}</math> | |||
Eigenschaft Namen geben: | |||
inverse Temperatur: <math>{{T}^{-1}}={{\left( \frac{\partial S}{\partial E} \right)}_{V,\bar{N}}}=k\beta </math> (war berechnet) | |||
chemisches Potential/ Temperatur:<math>-\frac{\mu }{T}={{\left( \frac{\partial S}{\partial \bar{N}} \right)}_{V,E}}=-k\beta \mu </math> (war berechnet) | |||
:<math>\beta =\frac{1}{kT}</math> | |||
beides muss am Experiment verifiziert werden | |||
Druck durch Temperatr <math>\frac{p}{T}={{\left( \frac{\partial S}{\partial V} \right)}_{E,\bar{N}}}=k{{\partial }_{V}}\ln {{Z}_{gk}}</math> | |||
Druck kann auch gemessen werden | |||
===Nullter Hauptsatz der Thermodynamik=== | ===Nullter Hauptsatz der Thermodynamik=== | ||
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==Optische Absorption eines Zweinivieausystems== | ==Optische Absorption eines Zweinivieausystems== | ||
===Thermische Zustandsgleichung | ===Dichtematrixdynamik und Zustandsgleichung=== | ||
Dichtematrixdynamik für 2Niveausystem: 1 Teilchen = | |||
:<math>{\bar{N}}</math> | |||
Besetzungszahldarstellung | |||
===Thermische Zustandsgleichung=== |
Aktuelle Version vom 12. September 2010, 21:10 Uhr
Der Artikel Beispiel des Großkanonischen Ensenbles basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Moritz Schubotz des 2.Kapitels (Abschnitt 4) der Thermodynamikvorlesung von Prof. Dr. A. Knorr. |
|}}
Illustration am Anhand von
definiert das großkanonische Ensemble man kannt durch die Wahl sofort R,
wir zeigen:
- Temperatur taucht auf muss gezeigt werden
- = Chemisches Potential ist die Energie die man braucht um 1 Teilchen hinzu zufügen
Entropie
braucht man um Zustandsgleichung festzulegen
Formel für Entropie siehe anfang der VL
Lagrangeparameter /Zustandsgleichung
Beziehungen der partiellen Ableitungen aus Gibbsgleichung
Man hat also Gleichungen für die Lagrangeparameter und die Zustandsgleichung für den Druck gewonnen. Lagrangeparameter noch nicht physikalisch bestimmt!
vorweg genommen
Temperatur und chemisches Potential
es ist zu zeigen, dass die Temperaturdefinition sinnvoll ist
sonst darf man es nicht Temeratur nennen
dazu zeigen:
System 1 | System 2 |
---|---|
Zu zeugen:
statistischer Operator faktorisiert für kleine Grenzflächen
mit
Kleine differnentielle Änderungen:
"rüberschieben auf andere Seite"
nutze bei dS:
mit
weil N,V,E unabhängig variiert werden können gilt für alle
→ folgende Eigenschaften des Systems im Kontakt sind gleich:
Eigenschaft Namen geben:
inverse Temperatur: (war berechnet)
chemisches Potential/ Temperatur: (war berechnet)
beides muss am Experiment verifiziert werden
Druck kann auch gemessen werden
Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
Es existiert eine skalare Größe T (Temperatur) zur Charaktersierung eines Systems; bei Kontakt (und langem Warten) sind die Temperaturen zweier Systeme gleich. anlog Potential, Druck
Optische Absorption eines Zweinivieausystems
Dichtematrixdynamik und Zustandsgleichung
Dichtematrixdynamik für 2Niveausystem: 1 Teilchen =
Besetzungszahldarstellung