E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 4. Vorlesung – 19.04 · 2018-04-19 · Wiederholung: 1....
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E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 4. Vorlesung – 19.04.2018
Prof. Dr. Jan Lipfert [email protected]
19.04.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 1
https://xkcd.com/1861/
Heute: - Freiheitsgrade realer Gase - Adiabatische Volumenänderungen - Kurze Einführung in die
Quantenmechanik - Freiheitsgrade & Wärmekapazität
realer Gase - Freiheitsgerade & Wärmekapazität
realer Festkörpers - Phasenübergänge
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Wiederholung: Ideale Gase und Gleichverteilungssatz
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Wenn sich eine System im thermischen Gleichgewicht befindet, entfällt auf jeden (klassischen) quadratischen Freiheitsgrad im Mittel eine Energie von ½ kBT pro Teilchen.
Ludwig Boltzmann (1844-1906)
https://de.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Boltzmann
• Kinetische Energie des idealen Gases: hEkini =3
2NkBT
• Mittlere freie Weglänge: � =1p
2 · n⇡d2
• Gesamtenergie des (klassischen) Festkörpers:
hEgesi = 3NkBT
Wiederholung: 1. Hauptsatz
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Die Änderung ΔU der inneren Energie eines Systems ist gleich der Summe der ihm netto zugeführten Wärme Q und der ihm netto zugeführten Arbeit W.
�U = Q+WQ, W sind Übertragungs- oder Prozessgrößen (= keine intrinsischen Größen, beschreiben Energietransfers)
> 0 Wärme wird zugeführt < 0 Wärme wird abgeführt
> 0 System wird Arbeit zugeführt / am System verichtet < 0 System verrichtet Arbeit / Arbeit wird abgeführt
Q
W
Wiederholung: Volumenarbeit
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W = 0
W = �p ·�V
(W < 0 ! ΔV > 0 Gas expandiert & verrichtet Arbeit) (W > 0 ! ΔV < 0 Gas komprimiert & Arbeit wird am Gas verrichtet)
W = �p · dV
W = nRT ln
✓V1
V2
◆
Konstantes Volumen:
Konstanter Druck:
V = konst. ΔW = 0
p = konst.
Wiederholung: Wärmekapazität
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Die Wärmekapazität eines Körpers C ist definiert als Wärme ΔQ, die zugeführt werden muss, um ihn um eine Temperatur ΔT zur erwärmen:
Spezifische Wärmekapazität:
Molare Wärmekapazität:
Wärmekapazität & Freiheitsgrade monoatomarer Gase
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Ein monoatomares Gas hat 3 translatorische Freiheitsgrade
Freiheitsgrade realer Gase: Rotation
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Rotation diatomares Gas
Rotation polyatomare Gase
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Freiheitsgrade realer Gase: Vibration
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Symmetrische Valenzschwingung
Antisymmetrische Valenzschwingung
Knickschwingung
Diatomare Schwingungen:
Triatomare Schwingungen:
Valenzschwingung
Molekül Freiheitsgrade CV (J/mol·K) γ
Monoatomig 3 Translation Ideal: 3/2 R = 12,5 Real: 12,5 (He)
5/3 = 1,66 1,67
Diatomig 3 Translation 2 Rotation 2 Vibration (1 Mode)
Ideal: 7/2 R = 29,1 Real: 20,7 (N2) 20,8 (O2)
9/7 = 1,29 1,4 1,4
Mehratomig (N Atome)
3 Translation 3 Rotation 2·(3N-6) Vibration ((3N-6) Moden)
Ideal: (3N-3)·R Real: 29,0 (NH4) 29,7 (CO2) Siehe Plot!
Übersicht: Freiheitsgrade realer Gase
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Summe der Freiheitsgrade:
Adiabatenkoeffizient:
Adiabatische Volumenänderung
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Adiabatische Expansion; Video: https://goo.gl/AZAcof
Adiabatische Zustandsänderung, fort.
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Beispiel: Adiabatische Kompression
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Pneumatisches „Feuerzeug“; Video: https://goo.gl/t2MPcB
https://en.wikipedia.org/wiki/Fahrenheit_451
Ray Bradbury „Fahrenheit 451“
Wärmekapazität von Gasen: Abweichung von der klassischen Vorhersage bei kleinen T
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Rotationsfreiheitsgrade werden aktiviert
Schwingungsfreiheitsgrade werden aktiviert
Wärmekapazität von Festkörpern
19.04.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 15 https://de.wikipedia.org/wiki/Dulong-Petit-Gesetz
Pierre Louis Dulong
(1785-1838)
https://de.wikipedia.org/wiki/Pierre_Louis_Dulong
Alexis Thérèse Petit
(1791-1820)
https://fr.wikipedia.org/wiki/Alexis_Th%C3%A9r%C3%A8se_Petit
Raumtemperatur:
Quantenmechanik – in zwei Folien...
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• Teilchen, insbesondere Elektronen, werden durch Wellenfunktionen beschrieben
(~r)
• Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Teilchens ist durch das Quadrat der Wellenfunktion gegeben ⇢(~r) = | (~r)|2
• Die Wellenfunktionen erfüllen die Schrödingergleichung; Allgemein:
i~ @
@t (~r, t) = H (~r, t)
• Für stationäre (d.h. zeitlich konstante) Zustände (mit Energie E):
(t) = (0)e�iE~ tH (~r, t) = E (~r, t)
• Hamiltonoperator für ein einzelnes Teilchen (der Masse m) in skalarem Potential:
H = � ~22m
r2 + V (~r)
• (Stationäre) Schrödingergleichung: ✓� ~22m
r2 + V (~r)
◆ (~r) = E (~r)
Lösungen der stationären Schrödingergleichung
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Teilchen im Potentialkasten:
Wasserstoffatom (Coulombpotential):
Harmonischer Oszillator:
Balmerserie; Video: https://goo.gl/j6Nrix
https://de.wikipedia.org/wiki/Teilchen_im_Kasten
https://de.wikipedia.org/wiki/Harmonischer_Oszillator_(Quantenmechanik)
https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffatom
• Diskrete Energieniveaus für gebundene Zustände • Drehimpuls ist quantisiert; quantisierte Energieniveaus für Rotation • Energieniveaus des harmonischen Oszillators: • Planksches Wirkungsquantum h = 6,626·10−34 J·s
En = ~!(n+1
2)
~ = h/2⇡
Rotationsquantisierung
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Erot
=j(j + 1)
2I~2
L =pj(j + 1)~
Quantenmechanisch:
Wärmekapazität & Freiheitsgrade realer Gase
19.04.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 19
https://en.wikipedia.org/wiki/Methane
Messwerte für Methan aus http://www.ddbst.com/en/EED/PCP/ICP_C1051.php Zu sehen sind Messwerte (grün) und einen kubischen Splinefit (lila) durch die Messwerte
Methan (CH4)