Закон ривнорозподилу

Закон ривнорозподилу - утверждение классической физики о том, что в состоянии термодинамического равновесия на каждый степень свободы молекулы приходится в среднем одинаковая энергия k_B T / 2 , Где k_B - постоянная Больцмана, T - температура.

Одноатомный идеальный газ состоит из атомов, которые имеют три степени свободы, связанные с поступательным движением в трех направлениях, поэтому по закону ривнорозподилу на каждый атом в среднем приходится энергия

E_a = \ frac {3} {2} k_B T .

Теплоемкость одноатомного газа равна, соответственно:

C_V = \ frac {3} {2} k_B N ,

где N - количество атомов.

Для твердого тела при высоких температурах справедливый закон Дюлонга-Пти, по которому

C_V = 3 k_B N ,

где N - количество атомов. Это означает, что на каждый атом, который осуществляет колебания вокруг положения равновесия, приходится 6 степеней свободы, связанных с колебательным движением - три компоненты смещения и три компоненты скорости.


Заморозка и возбуждения степеней свободы

Идеализированная зависимость теплоемкости газа двухатомных молекул от температуры

Закон ривнорозподилу справедлив при высоких температурах. Третий закон термодинамики утверждает, что при приближении температуры к абсолютного нуля, теплоемкость тел стремится к нулю. Таким образом, при нулевой температуре вещество не может оставаться идеальным газом, для которого теплоемкость постоянная величина. При низких температурах необходимо учитывать квантовый, а не классический движение частиц. Если энергия теплового движения k_B T / 2 меньше энергии, необходимой для перехода квантовой системы в возбужденное состояние, то соответствующие степени свободы не дают вклада в теплоемкость.

Например, для двухатомных молекул при низких температурах заморожены все степени свободы, кроме связанных с поступательным движением молекулы как целого. При температуре возбуждается вращения, и теплоемкость растет, при еще более высокой температуре энергия теплового движения достаточна для возбуждения колебаний, что приводит к новому росту теплоемкости.

Для твердого тела при низких температурах справедливый закон Дебая, по которому теплоемкость возрастает пропорционально кубу температуры. Такой рост обусловлен постепенным возбуждением атомных колебаний с возрастающей частотой. При высоких температурах, когда все колебания возбуждены, выполняется закон Дюлонга-Пти.


Физика Это незавершенная статья по физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

Источники

  • Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика (русский). - Москва: Наука, 1976.