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Hauptsatz, dass gilt: pV(f+2)/f = const., V Tf /2 = const

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Academic year: 2022

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Karlsruher Institut f¨ur Technologie Institut f¨ur Theorie der Kondensierten Materie Ubungen zur Theoretischen Physik F¨ SS 12

Prof. Dr. J¨org Schmalian Blatt 3

Dr. Igor Gornyi Besprechung 4.5.2012

1. Ideales Gas mit f Freiheitsgraden pro Molek¨ul: (4+4+2=10 Punkte) F¨ur ein ideales Gas aus N Teilchen (Molek¨ulen) mit f Freiheitsgraden pro Molek¨ul lauten die Zustandsgleichungen

U = f

2N kT, pV =N kT.

(a) Betrachten Sie eineadiabatischeZustands¨anderung bei konstanter Teilchenzahl, und zeigen Sie ¨uber den 1. Hauptsatz, dass gilt:

pV(f+2)/f = const., V Tf /2 = const.

(b) Berechnen Sie die Entropie S(U, V, N) =S0 N

N0

+N k [f

2 ln (U

U0

) + ln

(V V0

)

f+ 2 2 ln

(N N0

)]

wobeiS0, U0, V0, N0 Integrationskonstanten sind.

Hinweis: Zeigen Sie zun¨achst:

ds= 1

T du+ p

T dv mit s=S/N, u=U/N, v =V /N.

(c) Warum verletzt das ideale Gas den 3. Hauptsatz der Thermodynamik?

2. Velocity and interparticle distance distributions in an ideal gas:

(4 + 4 + 4 = 12 Punkte) Consider an ideal gas.

(a) Find the probability distribution function,f(v), for the velocity, such that f(v)dv is the probability that the magnitude of the velocity of a particle is betweenv and v+dv.

(b) Use f(v) to find the most probable velocity v from

∂f

∂v

v=v

= 0,

the mean velocity,⟨v⟩, and the mean square velocity, ⟨v2.

(2)

(c) Consider now an ideal gas in a spherical container of radius R. Calculate the mean distance between the particles

⟨r⟩=

0

drf (r)r (1)

where

f(r) =⟨δ(r− |rirj|) with =j (2) is the density of probability that two particles are separated by a distancer.

3. An ideal gas in the field of the Earth: (4 + 4 = 8 Punkte) Consider an ideal gas in the gravitational field of the Earth with the Hamilton function

H =

N

i=1

(p2i

2m +gmzi )

. (3)

The surface of the Earth is assumed to be flat atz = 0 (i.e. only z >0 is allowed). The gas is confined to a cylinder with arbitrary height and radius R.

(a) Calculate the partition function and free energy of the gas, assuming that tempe- rature is independent of z.

(b) Find the density

ρ(r) =⟨δ(rrj)=

N i=1

d3pid3riδ(rrj) exp (−βH)

N i=1

d3pid3riexp (−βH)

(4)

and pressurep(z) as function of the height.

4. Logarithmic spectrum: (5+5=10 Punkte)

Consider a system ofN noninteracting particles, each of which has an energy spectrum

En= ∆ log (n) , n= 1, ...,. (5)

(a) Calculate the partition function of the problem for kBT <∆. Analyze the leading temperature dependence of the entropy and specific heat for kBT close to ∆ and discuss the result.

(b) Discuss what happens for kBT >∆.

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