Тепловые свойства твердых тел

 

Классическая теория теплоемкости твердых тел.

Закон Дюлонга и Пти

 

В классической теории теплоемкости твердое тело рассматривается как:

1. Совокупность независимых друг от друга частиц, совершающих колебания с одной и той же частотой;

2. Каждая частица обладает 3 степенями свободы;

3. На каждую степень свободы приходится ½ кТ кинетической энергии и ½ кТ потенциальной энергии;

4. Средняя энергия колеблющейся частицы

5. Энергии 1 моля вещества:

,

где R=NK=8.31 Дж/моль к

 

6. Атомная теплоемкость одноатомных твердых тел (Закон Дюлонга и Пти):

(1)

т.е. теплоемкость твердых тел не зависит от t⁰ и равна 3R.

7. Экспериментально закон Дюлонга и Пти подтверждается для большинства веществ только при комнатной t⁰.

Вблизи абсолютного нуля теплоемкость тел пропорциональна Т ³, и только при достаточно высоких температурах, характерных для каждого вещества, выполняется условие (1). Алмаз, например, имеет теплоемкость, равную 3 R при 1800⁰ К. Однако для большинства твердых тел комнатная температура является уже достаточно высокой (см. рисунок ниже).

Причина противоречия классической теории теплоемкости экспериментальным данным:

а) теория предполагает, что атомы колеблются независимо друг от друга с одинаковой частотой. На самом деле атомы в твердом теле связаны очень прочно и колеблются с разными частотами.

б) колеблющийся атом обладает не постоянной энергией 3 кТ, а дискретными значениями энергий, как у квантового осциллятора т.е. закон равномерного распределения энергии по степеням свободы должен быть заменен формулой Планка.

 

Квантовая теория теплопроводности твердых тел

(по Эйнштейну)

 

Эйнштейн, учитывая недостатки классической теории, предположил:

1. Как и в классической теории, твердое тело – это совокупность N независимых атомов, колеблющихся с одинаковой частотой ;

2. Однако средняя энергия, приходящаяся на одну степень свободы равна не кТ, а вычисляется по формуле Планка:

;

 

3. Энергия одного моля вещества, имеющего 3 степени свободы:

где = - характеристическая t⁰ тела.

Тогда:

4. Атомная теплоемкость твердого тела:

(2)

Преимущества этой формулы перед классической ():

а) при низких t⁰ (Т << ), >> 1 Поэтому единицей в знаменателе можно пренебречь, и тогда:

б) при Т 0, а . Тогда:

Т.е. подтверждает экспериментальную зависимость в области низких температур.

в) при высоких температурах формула (2) переходит в формулу (1).

 

Таким образом, теория теплоемкости Эйнштейна качественно согласуется с опытом. Однако количественно эта теория расходится с опытом, особенно в области низких температур. Причина расхождения – грубое предположение, что все атомы твердого тела колеблются с одинаковой частотой.

 

Теория Дебая

 

1. Система, состоящая из N атомов, обладает 3N степенями свободы.

2. В системе возникает 3N колебаний, совершающихся с различными (собственными) частотами.

3. Число собственных колебаний твердого тела (z), имеющие частоты, меньше :

где V – объем тела

- скорость распространения колебаний в твердом теле.

4. max число собственных колебаний

5. max частота этих колебаний

;

где - число атомов в единице объема

6. Число собственных колебаний тела dz, приходящееся на интервал частот от до :

7. Энергия dz колебаний, имеющих частоты в интервале от до :

8. Энергия всего твердого тела:

 

где: ; - характеристическая температура Дебая

9. Атомная плотность твердого тела:

 

(3) – формула Дебая

 

Преимущества формулы Дебая:

а) При высоких температурах (Т >> )

т.е. приводит к закону Дюлонга и Пти.

б) Для низких температур (Т << )

где для каждого твердого тела.

Т.е. в области низких температур формула Дебая приводит к кубической зависимости теплоемкости от температуры, что полностью соответствует опытным данным.