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热力学与统计物理试题及答案

9.如果系统的分布函数为ρs,系统在量子态s的能量为Es,用ρs和Es表示:系统的平均能量为( ),能量涨落为( )(如写成 也得分)。
10.与宏观平衡态对应的是稳定系综,稳定系综的分布函数ρs具有特点(dρs/ dt=0 或与时间无关等同样的意思也得分),同时ρs也满足归一化条件。
二.计算证明题(每题10分,共60分)
中国海洋大学试题答案
学年第2学期试题名称:热力学与统计物理(A)共 2 页 第 1 页
专业年级:学号姓名授课教师名杨爱玲分数
一.填空题(共40分)
1.N个全同近独立粒子构成的热力学系统,如果每个粒子的自由度为r,系统的自由度为(Nr)。系统的状态可以用(2Nr)维Г空间中的一个代表点表示。
2 对于处于平衡态的孤立系统,如果系统所有可能的微观状态数为Ω,则每一微观状态出现的概率为(1/?),系统的熵为
(1)写出爱因斯坦模型中采用的频谱和德拜模型中采用的频谱,并加以简单说明;
(2)用爱因斯坦模型求高温下固体的热容量;
(3)用德拜模型证明低温下固体的热容量正比于T3。
解:(1)爱因斯坦模型: N个分子的振动简化为3N同频率(ω)的简谐振动,每个振子的能级为 ;
德拜模型:N个分子的振动简化为3N个简正振动,每个振子的频率不同,且有上限ωD, .
(2)证明:T=0K时电子的平均能量 ,简并压强 ;
(3)近似计算:在室温下某金属中自由电子的热容与晶格热容之比。
(1)μ0表示T=0K时电子的最能量。电子从ε=0的能级开始,先占据低能级,然后占据高能级,遵从泡利不相容原理。
f = 1 (ε<μ0); f = 0 (ε>μ0)
(2)
(3)T>0K时:
6.对粒子数守恒的玻色系统,温度下降会使粒子的化学势(升高);如果温度足够低,则会发生(玻色——爱因斯坦凝聚)。这时系统的能量U0=(0),压强p0=(0),熵S0=(0)。
7.已知粒子遵从经典玻尔兹曼分布,其能量表达式为 ,粒子的平均能量为(2kT-b2/4a)。
8.当温度(很低)或粒子数密度(很大)时,玻色系统与费米系统的量子关联效应会很强。
(1)求单粒子的配分函数Z1;
(2)在平衡态,按玻尔兹曼分布率,写出位置在x到x+dx, y到y+dy内,动量在px到px+dpx,py到py+dpy内的分子数dN;
(3)写出分子按速度的分布;
(4)写出分子按速率的分布。
解:(1)单粒子的配分函数
(2)
(3)将(1)代入(2),并对dxdy积分,得分子按速度的分布为
解:(1)单粒子的配分函数为:
处于基态的粒子数为:
处于激发态的粒子数为:
温度为T时处于激发态的粒子数与处于基态的粒子数之为:
极端高温时:ε0《kT, , 即处于激发态的粒子数与处于基态的粒子数基本相同;
极端低温时:ε0》kT, , 即粒子几乎全部处于基态。
(2)系统的内能:
热容量:
(3)极端高温时系统的熵:
T>0K时,只有在μ附近kT量级范围内的电子可跃迁到高能级,对CV有贡献,设这部分电子的数目为Neff, 则 。每一电子对CV的贡献为3kT/2, 则金属中自由电子对Cv的贡献为
晶格的热容量为Cv=3Nk,
6.固体的热运动可以视为3N个独立简正振动,每个振动具有各自的简正频率ωi,内能的表达式为: ,式中的求和遍及所有的振动模式,实际计算时需要知道固体振动的频谱。
(4)有(3)可得分子按速率的分布为:
3.定域系含有N个近独立粒子,每个粒子有两个非简并能级ε1=-ε0,ε2=ε0,其中ε0大于零且为外参量y的函数。求:
(1)温度为T时处于激发态的粒子数与处于基态的粒子数之比,并说明在极端高温和极端低温时粒子数比的特点;
(2)系统的内能和热容量;
(3)极端高温和极端低温时系统的熵。
(2)爱因斯坦模型: ;
高温时:
(3)
上式的第二项与T的4次方成正比,故
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年 月 日
中 国 海 洋 大 学 命 题 专 用 纸(附页)
学年第学期试题名称:共 页 第 页
(kln?)。
3.玻色统计与费米统计的区别在于系统中的粒子是否遵从(泡利不相容原理)原理,其中(费米)系统的分布必须满足0 ≤ fs ≤ 1。
4.玻色系统和费米系统在满足(经典极限条件(或e-α<<1)或eα>>1)条件时,可以使用玻尔兹曼统计。
5. 给出内能变化的两个原因,其中( )项描述传热,( )项描述做功。
简并度:1,1,1, 1,…
分布数:a1,a2,a3, a4,…
分布 要满足的条件为:
满足上述条件的分布有:A:
B:
C:
各分布对应的微观态数为:
所有分布总的微观态数为:
各分布对应的概率为:
2.表面活性物质的分子在液面(面积为A)上做二维自由运动,可以看作二维理想气体,设粒子的质量为m,总粒子数为N。
1.假定某种类型分子(设粒子可以分辨)的许可能及为0,ω,2ω, 3ω,。。。, 而且都是非简并的,如果系统含有6个分子,问:
(1)与总能量3ω相联系的分布是什么样的分布分布需要满足的条件是什么
(2)根据公式 计算每种分布的微观态数?;
(3)确定各种分布的概率。
解:能级:ε1,ε2,ε3,ε4,…
能量值:0,ω,2ω,3ω,…
极端低温时系统的熵:S=0
4.对弱简并的非相对论费米气体,求:
(1)粒子数分布的零级近似f0与一级修正项Δபைடு நூலகம்1;
(2)证明:与零级近似相比,粒子数的相对修正量和内能的相对修正量均正比于 。
解:费米气体分布函数为:
(1)

(2)
5.金属中的电子可以视为自由电子气体,电子数密度n,
(1)简述:T=0K时电子气体分布的特点,并说明此时化学势μ0的意义;
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