Статистическа термодинамика

Чарлс Кител  |  Хърбърт Кремер  (автори) 

Твърда корица, среден формат  |  476 стр.  |  632 гр.

(неизползвана книга в отлично състояние)

*

Анотация

В книгата е дадено подробно и конкретно изложение на статистическата термодинамика. Използуват се методите на Гибс, адаптирани към квантовата механика. Показва се, че физическите свойства на една система могат да бъдаг обяснени чрез броене на нейните квантови състояния.

Предвидено като учебник за ВПИ - гр. Шумен, изданието ше бъде полезно и интересно за студентите от всички ВУЗ, в които се изучава физика, както и за преподаватели и специалисти.

**

ЗА АВТОРИТЕ

Чарлс Кител преподава физика на твърдото тяло в Ка­лифорнийския университет в Беркли от 1951 до 1984 г. Преди това е работил в лабораториите „Бел". Дипломната си работа разра­ботва в Масачузетския технологичен институт и в Кавендишката лаборатория на Кембриджкия университет. Научната степен РЬ.О получава за изследванията си в областта на теоретичната ядрена физика, които провежда под ръководството на професор Грегори Брайт във Висконсинския университет. Три пъти получава стипендията Гугенхайм, удостоен е с наградата на Оливър Бъкли по физика на твърдото тяло. За своята преподавателска дейност е награден от Американското дружество на преподавателите по физика с медала на Оерщед. Член е на Националната академия на науката (САЩ) и на Американската академия за наука и изкуство. Научните му изследвания са в областта на магнетизма, магнитния резонанс, полупроводниците и статистическата физика на твърдите тела.

Хърбърт Кремер е професор по електроинженерство в Ка­лифорнийския университет в Санта Барбара. Завършил е и е специализирал физика на твърдото тяло. Получава научната степен РЬ. Е) по физика през 1962 г. в Гьотингенския университет (ФРГ), където защитава дисертация върху ефектите на горещите електрони в (тогава модните) транзистори. От 1952 до 1968 г. работи в няколко изследователски лаборатории по физика на полупроводниците в Западна Германия и САЩ. През 1968 г. става професор по електроинженерство в университета в Колорадо. В Калифорнийския университет в Санта Барбара е от 1976 г. Научните му изследвания са в областта на физиката и техниката на полупроводниците и полупроводниковите прибори (включително и на високочестотните транзистори), ефектите на отрицателната маса в полупроводниците, инжекционните лазери, ефекта на Гън, капките електрон — дупка и полупроводниковите хетеропреходи.

***

СЪДЪРЖАНИЕ

За авторите 5

Предговор към българското издание 6

Предговор 7

Указател на основните дефиниции 9

Увод 11

Глава 1. Състояния на моделни системи

Бинарни моделни системи 20
Броене на състоянията и мултиплетна фукция 23
Бинарна сплав 25
Острота на максимума на мултиплетната функция .... 27
Средни стойности 30
Енергия на бинарната магнитна система 4 . . . 31
Пример: Мултиплетна функция за хармонични осцилатори 33
Резюме 34

Глава 2. Ентропия и температура

Основна хипотеза -37
Вероятност 38
Пример: Построяване на статистически ансамбъл ..... 39
Най-вероятна конфигурация 41
Пример: Две спинови системи в топлинен контакт .... 44
Топлинно равновесие 47
Температура 48
Ентропия . . . 49
Пример: Нарастване на ентропията при топлинен поток 51
Закон за нарастване на ентропията 52
Принципи на термодинамиката 55
Ентропията като логаритъм 56
Пример: Перпетуум-мобиле от втори род 57
Резюме 57
Задачи 58

Глава 3. Разпределение на Болцман и свободна енергия

Фактор на Болцман 63
Статистическа сума 66
Пример: Енергия и топлинен капацитет на система с две състояния , °6
Дефиниция: Обратим продес 68
Налягане 69
Термодинамично равенство 71
Свободна енергия 72
Пример: Минимално свойство на свободната енергия на парамагнитна система 73
Диференциални съотношения 74
Съотношение на Максуел 75
Пресмятане на Р чрез 2 75
Идеален газ: предварително разглеждане 76
Един атом в потенциална кутия 76
Пример: /V атома в потенциална кутия 78
Енергия 80
Пример: Равномерно разпределение на енергията по степени на свобода 81
Пример: Ентропия на смесване 81
Резюме 84'
Задачи 85

Глава 4. Топлинно лъчение и разпределение на Планк

Разпределение на Планк 93
Закон на Планк и закон на Стефан — Болцман 96
Излъчване и поглъщане: закон на Кирхоф 100
Оценка на повърхностната температура 101
Пример: Първично космично лъчение на черно тяло . . . 101
Електричен шум 102
Фонони в твърди тела: теория на Дебай 106
Брой на фононните модове 107
Резюме 111
Задачи 112

Глава 5. Химичен потенциал и разпределение на Гибс

Дефиниция на химичен потенциал 120
Пример: Химичен потенциал на идеален газ 121
Вътрешен и пълен химичен потенциал ' 123
Пример: Изменение на атмосферното налягане с височината 125
Пример: Химичен потенциал на подвижни магнитни
частици в магнитно поле 127
Пример: Акумулатори 129
Химичен потенциал и ентропия 132
Термодинамично равенство 133
Фактор на Гибс и сума на Гибс 134
Брой на частиците 138
Енергия 139
Пример: Населеност нула или единица 140
Пример: Йонизация на примесни атоми в полупроводник 142
Резюме 143
Задачи 144

Глава 6. Идеален газ

Функция на разпределение на Ферми — Дирак 152
Функция на разпределение на Бозе —Айнщайн 156
Класическа граница 159
Химичен потенциал 160
Свободна енергия . .-. . 161
Налягане 162
Енергия 162
Ентропия 163
Топлинен капацитет 164
Пример: Опитна проверка на уравнението на Сакура — Тетроде 165

Химичен потенциал на идеален газ е вътрешни степени на свобода 167
Пример: Спинова ентропия в нулево магнитно поле . . . 169
Обратимо изотермично разширение 169
Обратимо разширение при постоянна ентропия 171
Внезапно разширение във вакуум . 173
Резюме 174
Задачи " 175

Глава 7. Ферми- и Бозе-газове

Ферми-газ 183
Основно състояние на тримерен ферми-газ 184
Плътност на състоянията 186
Топлинен капацитет на електронния газ 188
Ферми-газ в метали 192
Бели джуджета 195
Ядрена материя 197
Бозе-газ и кондензация на Бозе —Айнщайн 198
Химичен потенциал в близост до абсолютната нула ... 199
Пример: Разположение на първата и втората най-ниска орбитала на свободните атоми 200
Зависимост на орбиталната населеност от температурата 202
Температура на бозе-айнщайновата кондензация 204
ч Течен 4Не 206
Фазови съотношения за хелия 209
Квазичастици и свръхфлуидност, 4Не 210
Свръхфлуидни фази на Не 214
Резюме 215
Задачи 215

Глава 8. Топлина и работа

Предаване на енергия и ентропия: Дефиниция на топлина и работа 223
Топлинни машини: превръщане на топлината в работа . . . 224
Неравенство на Карно 224
Източници на необратимост 228
Хладилници 229
Климатични инсталации и термопомпи 231
Цикъл на Карно 231
Пример: Цикъл на Карио за идеален газ 233
Превръщане на енергията и втори принцип на термодинамиката 235
Зависимост ка работата и топлината от пътя 236
Необратима работа 237
Пример: Внезапно разширение на идеален газ 238
Топлина и работа при постоянна температура или налягане 240
Изотермична работа 240
Изобарна топлина и работа 240
Пример: Електролиза и горивни клетки 241
Химична работа 245
Пример: Химична работа на идеален газ 246
Магнитна работа и свръхпроводници 247
Резюме 250
Задачи 251

Глава 9. Термодннамвчен потенциал на Гибс н хнмнчнн реакции

Термодинамичен потенциал на Гибс 257
Пример: Сравнение на С с Р 260
Химични реакции и равновесие 261
Химично равновесие на идеални газове 262
Пример: Равновесие на атомен и молекулен водород . . 263
Пример: рН и йонизация на водата 264
Пример: Кинетичен модел на действието на масите . . . 265
Резюме 267
Задачи 267

Глава 10. Фазови преходи

Уравнение за налягането на наситените пари 273
Намиране на кривата на фазово равновесие в променливи р, т 275
Тройна точка 280
Скрита топлина и енталпия 281
Пример: Моделна система за равновесие между газ
и твърдо тяло 281
Уравнение на Ван дер Ваалс 283
Метод на средното поле 284
Критични точки за газ на Ван дер Ваалс 286
Термодинамичен потенциал на Гибс за газ на Ван дер Ваалс 287
Образуване на капки 290
Феромагнетизъм 292
Теория на Ландау за фазовите преходи . 294
Пример: Феромагнетици  297
Преходи от първи род . 298
Резюме 299
Задачи 300

Глава 11. Бинарни смеси

Области на неразтворимост 307
Енергия и ентропия на смесване 310
Пример: Бинарна сплав с взаимодействие между най-близките съседни атоми 313
Пример: Смес от две твърди тела с различни кристални структури 315
Пример: Смеси от течни 3Не и 4Не при ниски температури 316
Фазови диаграми при прости области на неразтворимост 317
Фазово равновесие между течни и твърди смеси 318
Евтектикуми 320
Реаюме 324
Задачи  324

Глава 12. Краогеника

Охлаждане чрез извършване на работа при разширение в машина 329
Втечняване на газове е помощта на ефекта на Джаул - Томсън 331
Пример: Ефект на Джаул-Томсън за газ на Ван дер Ваалс 332
Цикъл на Линде 333
Охлаждане чрез изпарение: до 0,3 К, чрез изпомпване на хелия 336
Хелиев рефрижератор с разтваряне: милиградуси 336
Адиабатно размагнитване: стремеж към абсолютна нула . . 339
Ядрено размагнитване 342
Резюме 343
Задачи 343

Глава 13. Статистика на полупроводниците

Енергетични зони, ниво на Ферми, електрони и дупки .... 349
Класически режим 352
Закон за действие на масите 355
Собствено, ниво на Ферми . 356
п- и ^-полупроводници 356
Донори и акцептори З56

Ниво на Ферми в несобствени полупроводници 358
Изродени полупроводници 359
Примесни нива 361
Населеност на донорни нива ....<..' 362
Пример: Полуизолиращ галиев арсенид 365
р-п-преходи 366
Обратен р — п-преход 370
Неравновесни полупроводници 371
Квазинива на Ферми 371
Ток: дрейф и дифузия 372
Пример: Инжекционен лазер 374
Пример: Рекомбинация на носители чрез примесно ниво 375
Резюме  377
Задачи . . . 379

Глава 14. Кинетична теория

Кинетична теория на идеалния газ 385
Максуелово разпределение по скорости 386
Експериментална проверка 388
Сечение на ударите и среден свободен пробег 389
Процеси на пренос 391
Дифузия на частици 393
Топлопроводност 395
Вискозност 396
Обобщени сили 398
Съотношение на Айнщайн 399
Кинетика на детайлното равновесие 400
Кинетично уравнение на Болцман 402
Дифузия на частици 403
Класическо разпределение 404
Разпределение на Ферми —Дирак 405
Електричиа проводимост 407
Закони за разредените газове 407
Поток на молекули през отвор 408
Пример: Поток в дълга тръба 410
Скорост на помпа 412
Резюме 413
Задачи 414

Глава 15. Разпространение

Уравнение на топлопроводност  419
Дисперсионно съотношение — зависимост на ш от к . . 420
Проникване на температурните осцилации 421
Размиване на импулс 422
Дифузия при фиксирано гранично условие при х = 0 . . . 424
Независещо от времето разпределение  425
Разпространение на звукови вълни в газове 425
Топлинна релаксация 427
Пример: Топлопредаване в звукова вълна 429
Резюме 430
Задачи 431
Приложение А. Някои интеграли.от експоненциални функции 434
Гаусов интеграл 434
Обобщени гаусови интеграли и гама-функция 435
Приближение на Стирлинг 436
Приложение Б. Температурни скали 440
Дефиниция на келвиновата скала 440
Първични и вторични термометри 442
Термодинамична термометрия 445
Международна практическа температурна скала .... 446
Приложение В. Разпределение на Поасон 448
Задачи
Приложение Г. Налягане 454
Приложение Д. Отрицателни температури 455
Литература 460
Азбучен указател 463