EKSAMENSOPPGAVE. FYS-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato:

Like dokumenter
EKSAMENSOPPGAVE. Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk. 14 med forbehold om riktig telling

Eksamen i: Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato: Tirsdag 26. februar 2013 Tid: Kl 09:00 13:00

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato: Onsdag 02. desember 2015 Tid: Kl 09:00 13:00 Sted: Åsgårdvegen 9

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: NEI Hvis JA: ca. kl.

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgave 1 V 1 V 4 V 2 V 3

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

KJ1042 Øving 5: Entalpi og entropi

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE. Adm. bygget B154. Enkel lommeregner. Rute. Dr. Maarten Beerepoot

Eksamen i FYS Oppgavesettet, inklusiv ark med formler, er på 7 sider, inkludert forside. FAKULTET FOR NATURVITENSKAP OG TEKNOLOGI

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i:kje-1005 Termodynamikk og kinetikk Dato: Torsdag 05. juni 2014 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 2

EKSAMENSOPPGAVE. Adm.bygget, Aud.max. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

EKSAMENSOPPGAVE. MNF-6002 Videreutdanning i naturfag for lærere, Naturfag trinn 2. Kalkulator Rom Stoff Tid: Fysikktabeller (utskrift)

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl.10:00 og 12:00

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl torsdag 15. desember 2016 Bokmål

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-0100

EKSAMENSOPPGAVE. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl august 2018 Nynorsk

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-1002 Elektromagnetisme. Adm.bygget B154 Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling

Fysikkk. Støvneng Tlf.: 45. Andreas Eksamensdato: Rottmann, boksen 1 12) Dato. Sign

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 7. august 2017 Bokmål

Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl torsdag 6. juni 2013

EKSAMENSOPPGAVE. Alle skrevne og trykte. Godkjent kalkulator.

DET TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET

EKSAMENSOPPGAVE. Kalkulator Rom Stoff Tid: Fysikktabeller (Bok/utskrift fra bok)

EKSAMENSOPPGAVE. 7 (6 sider med oppgaver + 1 side med formler)

EKSAMENSOPPGÅVE. Kalkulator, Rottmanns tabellar og 2 A4 ark med eigne notater (4 sider).

T L) = H λ A T H., λ = varmeledningsevnen og A er stavens tverrsnitt-areal. eks. λ Al = 205 W/m K

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

EKSAMENSOPPGAVE. FYS 2000, Kvantemekanikk Dato: 7. Juni 2017 Klokkeslett: 9:00-13:00 Sted: Tillatte hjelpemidler: rute.

EKSAMENSOPPGAVE. - Ett A4 ark med selvskrevne notater (begge sider) - Kalkulator. - Molekylbyggesett. Rute

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Tirsdag 9. aug 2011

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for fysikk

1 d 3 p. dpp 2 e β Z = Z N 1 = U = N 6 1 kt = 3NkT.

EKSAMEN I EMNE TFY4125 FYSIKK

EKSAMENSOPPGAVE. To dobbeltsidige ark med notater. Stian Normann Anfinsen

EKSAMEN I FY1005 og TFY4165 TERMISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

EKSAMENSOPPGAVE. Karl Rottmann: Matematisk formelsamling Kalkulator med tomt dataminne

EKSAMENSOPPGAVE. Adm.bygget, rom B154 2 ark med egne notater (4 sider) Godkjent kalkulator Rottman. Matematisk formelsamling

Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 12. august 2013

EKSAMENSOPPGAVE. Kalkulator «Huskelapp» -A4 ark med skrift på begge sider Enkel norsk-engelsk/engelsk-norsk ordbok

EKSAMEN I FAG SIF4062 FASTSTOFFYSIKK VK Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk Tirsdag 8. mai 2001 Tid: Sensur faller 29.

EKSAMENSOPPGAVE Njål Gulbrandsen / Ole Meyer /

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Anne Borg Tlf BOKMÅL. EKSAMEN I EMNE TFY4115 Fysikk Elektronikk og Teknisk kybernetikk

EKSAMENSOPPGAVE. KJE-1001 Introduksjon til kjemi og kjemisk biologi

EKSAMENSOPPGAVE. Kalkulator «Huskelapp» -A4 ark med skrift på begge sider. Enkel norsk-engelsk/engelsk-norsk ordbok

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Kollokvium 4 Grunnlaget for Schrödingerligningen

Løsningsforslag til øving 10

De viktigste formlene i KJ1042

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Mandag 12. august, 2013

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4120 TERMODYNAMIKK 1 Tirsdag 9. desember 2008 Tid: kl. 09:00-13:00

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2013 Løsninger

TFY4165/FY august 2014 Side 1 av 11

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

Eksamen i FYS Oppgavesettet, inklusiv ark med formler, er på 8 sider, inkludert forside. FAKULTET FOR NATURVITENSKAP OG TEKNOLOGI

EKSAMENSOPPGAVE. KRAFT I og II Hall del 2 Kraft sportssenter Ingen

Sammendrag, forelesning onsdag 17/ Likevektsbetingelser og massevirkningsloven

Eksamensoppgaver i Fys

KJ1042 Øving 3: Varme, arbeid og termodynamikkens første lov

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

EKSAMENSOPPGÅVE. Kalkulator, 2 ark (4 sider) med eigne notater og Rottmanns tabeller. Ragnar Soleng

HØGSKOLEN I STAVANGER

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

UNIVERSITETET I OSLO

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 2. juni 2014

EKSAMENSOPPGAVE. Oppgavesettet er på 8 sider inklusive forside. Kontaktperson under eksamen: Prof. Richard Engh Telefon:

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

Løsning til øving 1 for FY1004, høsten 2007

Retningen til Spontane Prosesser. Prosessers Retning

a) Stempelet står i en posisjon som gjør at V 1 = m 3. Finn det totale spesikte volumet v 1 til inneholdet i tanken. Hva er temperaturen T 1?

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA / NEI Hvis JA: ca. kl. 10

Eksempler og oppgaver 9. Termodynamikkens betydning 17

EKSAMENSOPPGAVE. Enkel lommeregner. Rute. Prof. Richard Engh. NB! Det er ikke tillatt å levere inn kladd sammen med besvarelsen

EKSAMEN. EMNE: FYS 119 FAGLÆRER: Margrethe Wold. Klasser: FYS 119 Dato: 09. mai 2017 Eksamenstid: Antall sider (ink.

Figur 1: Isoterm ekspansjon. For en gitt temperatur T endrer trykket seg langs den viste kurven.

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Kje-1005 Termodynamikk og Kinetikk Dato: Torsdag 6.juni 2013 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 3

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Regneøving 9. (Veiledning: Fredag 18. mars kl og mandag 21. mars kl )

Kretsprosesser. 2. hovedsetning

TFY4115 Fysikk Eksamen 6. desember 2018 { 6 sider

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

Fakultet for naturvitenskap og teknologi EKSAMESOGAVE Eksamen i: FYS-00 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato: 4..07 Klokkeslett: 09.00 -.00 Sted: Åsgårdvn. 9 Tillatte jelpemidler: Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: Kontaktperson under eksamen: /A - Tabeller og formler i fysikk for FY og FY - K. Rottmann: Matematisk Formelsamling, - O. Øgrim: Størrelser, eneter og symboler i fysikken, - S. Barnett and T.M. Cronin: Matematical Formulae, - C. ordling and J. Österman: ysics Handbook for Science and Engineering, - Formelark vedlagt eksamensoppgave - Enkel åndoldt kalkulator uten tilgang til eksternt nettverk. rof. Åsild Fredriksen Telefon/mobil: 77645 B! Det er ikke tillatt å levere inn kladdepapir som del av eksamensbesvarelsen. Hvis det likevel leveres inn, vil kladdepapiret bli oldt tilbake og ikke bli sendt til sensur. ostboks 6050 Langnes, -907 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no

Oppgave. 4 V Figur : En Carnot syklus i V diagram. Figur viser en Carnot-syklus i et V diagram. rosessen går i retning med klokka og består av fire delprosesser. a) Beskriv de fire delprosessene og oppgi vilken termodynamiske størrelse som er konstant i ver delprosess. Hvilke delprosesser bidrar til varmeregnskapet i syklusen, og i vilken retning (inn eller ut av systemet)? Effektiviteten e for en Carnot-syklus er gitt som Wtot e = = c () der Wtot er den totale arbeidet ut av motoren, og der og c er enoldsvis varme inn i og varme ut av systemet. b) Ta utgangspunkt i ligning () og beregn varmen inn i () og varme avgitt fra (c) Carnot-syklusen i figur. Bruk en ideell gass som arbeidssubstans, og vis at Carnot-effektiviteten er gitt ved: e C T = T c () UiT / ostboks 6050 Langnes, -907 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no

der T og Tc er temperaturene enoldsvis inn i og ut av motoren. For vilke betingelser vil effektiviten være maksimal og va er den maksimale effektiviteten til en Carnot syklus? Anta en Carnot-syklus der arbeidssubstansen ar temperaturen T w når varme absorberes fra varmereservoaret, og ar temperaturen T cw når varme overføres til kuldereservoaret. I de fleste tilfellene vil varmeoverførings-raten være direkte proporsjonal med temperaturforskjellene, slik at = KT ( Tw) t c = KT ( cw Tc ) t, () og der vi antar at proporsjonalitetskonstanten K er den samme for begge prosessene. Vi antar også at begge prosessene tar like lang tid, slik at t er den samme i begge tilfellene. c) Anta at det ikke dannes ny entropi i syklusen utenom de to varmeoverføringsprosessene, og vis at foroldet mellom de fire temperaturene kan uttrykkes ved relasjonen: T T T T = T T w cw c w cw (4) d) Anta at tiden som går med i de to adiabatiske trinnene er neglisjerbar, og finn et uttrykk for effekten (arbeid per tidsenet) ut av motoren. Bruk termodynamikkens første og andre lov sammen med resultatet fra b) til å vise at effekten kan uttrykkes som: K T c Effekt = ( T Tw ) Tw T (5) år kostnadene med å bygge en motor er mye større enn drivstoff-kostnadene, er det vanligvis ønskelig å optimalisere motoren for maksimal effekt ut i stedet for maksimal effektivitet. e) Finn et uttrykk for temperaturen T w vor effekten gitt ved ligning (5) ar en maksimumsverdi for gitt verdi T og Tc, og finn det tilsvarende uttrykket for T cw. Oppgave. artisjonsfunksjonen for en ideell gass med identiske atomer, ar formen Z = Z (6)! UiT / ostboks 6050 Langnes, -907 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no

Der Z er partisjonsfunksjonen for et enkelt atom, slik at ver Boltzmann-faktor ar E( s)/ Etr ( s)/ formen e = e, der Etr er atomets translatoriske kinetiske energi, slik at Z = Ztr (Vi ar er sett bort fra eventuell intern energi, dvs. Zint =.) Anta at et gitt energinivå En tilsvarer en gitt stående bølgelengde λ L n = i en endimensjonal boks med lengde L, der n =,,. er antallet bølge-topper og n -bunner. a) Argumentér for at de tillatte energiene for et atom i en én-dimensjonal boks er gitt ved E n n = (7) 8mL og vis at partisjonsfunksjonen Zd for en dimensjon, er gitt ved L Z d =, der l = l π m b) Utvid til tre dimensjoner og vis at partisjonsfunksjonen Z for atomer og er gitt ved v = l, Z V =! v (8) c) Vis med utgangspunkt i ligning (8) at U = Hva beskriver uttrykket? Hvilket teorem kan uttrykket også utledes fra? Oppgave. Det kan vises at partisjonsfunksjoen Z for en fotongass i et volum V ved temperaturen T er gitt ved følgende ligning: ln Z 5 8π = V 45 c (9) Videre kan vi få bruk for relasjonen mellom Helmoltz fri energi F og partisjonsfunksjonen Z, den termodynamiske identiteten for F og definisjonen av Gibbs fri energi G: UiT / ostboks 6050 Langnes, -907 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 4

F = U TS = ln Z; df = SdT dv + µ d; G = U TS + V = µ (0) a) Vis at fotongassens energi U er gitt ved: U ( ) ( c) 4 5 8π = V. () 5 b) Vis at fotongassens entropi er gitt ved: 5 π S = 45 c kv. () Bruk resultatet til å angi en sammeneng mellom T og V for gassen. c) Finn fotongassens trykk (int: bruk en partiellderivert av F) og vis at Gibbs frie energi G for gassen blir null. Hva sier resultatet for G om det kjemiske potensialet µ i en fotongass? Hvilken egenskap ved fotontallet er årsak til at µ antar denne verdien (ved konstant T og V)? UiT / ostboks 6050 Langnes, -907 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 5

yttige formler for Fys-00 Ideell gass: V = ; V = nrt () U f () termal Endring i indre energi: U W () W = - V (4) For adiabatisk prosess: Vf W ( V ) dv (5) Vi f / VT konstant (6) V konstant, der = f f (7) Varmekapasitet: C c C T m - ved konstant volum U C V T V - ved konstant trykk U V C T T (8) (9) (0) -for ideell gass C C k () V Antall måter å velge n ut fra totalt objekter:! (, ) n n! n! n () Multiplisitet for Einstein-krystall med oscillatorer og q energieneter:! (, ) q q q q q!! () For et system med to tilstander, f.eks. and i paramagnet:! ( )!! (4) Multiplisitet for ideell gass: V dvs / mu! /! (5) / ( U, V, ) f( ) V U (6)

Total multiplisitet for to systemer : Ωtot = ΩA ΩB (7) Stirlings tilnærmelse:! e eller ln! ln (8) Entropi: S k ln (9) Entropi for ideell gass: / 4 5 ln V mu S k (0) C dt Entropi-endring ved konstant volum: ds V T T () Blandingsentropi for to ulike gasser: S S S k ln () total A B Ved termisk likevekt mellom to systemer: S A U A S U B B () Termodynamisk identitet: Definisjon av temperatur: du TdS dv i d i (4) i S T U V, (5) Definisjon av trykk: Definisjon av kjemisk potensial: Virkningsgrad varmemotor: S T V U, S T UV, (6) (7) nytte W e = kost Tc e (8) T Coefficient of performance for kjøleskap: nytte CO c kost W (9) T CO T T (0) c c

Entalpi: H U + V () Helmolz frie energi: F U TS () Gibbs frie energi: G U TS+ V () T konstant: F UTS WTS, F W, (4) GUTSV WTSV, GWoter, W V W oter (5) GHT S (6) Termodynamiske identiteter: dh TdS Vd d (7) df SdT dv d (8) dg SdT Vd d (9) For flere partikkelslag i: dg SdT Vd idi (40) i Gibbs frie energi for flere partikkelslag: G i i (4) i d L Clausius-Clapeyron-relasjonen:, V Vg Vl; L latent varme. dt TV (4) Van der Waals ligning: a V b V (4) Boltzmann factor (BF) = e E( s)/, Es () energi for mikrotilstanden s. E( s)/ Sannsynliget for å finne en partikkel i tilstand s: s () e (44) Z artisjonsfunksjonen: s E( s)/ Z e (45) E( s) Z E Ese ( ) ln Z, Z s Z Midlere energi, én partikkel: (46) X( s) Generell variabel: X X() se (47) Z Midlere energi, partikler: U E (48) s

Rotasjonsenergi, di-atomært molekyl: E(j)=j(j+)ε, j=0,,, ; ε en konstant invers proporsjonal med molekylets tregetsmoment. rot j( j) /, antall degenererte tilstander for nivå. (49) Z j e j j j0 Maxwells astigetsfordeling: / m Dv () 4 mv / ve (50) Midlere astigeter: 8 v rms ; v ; vmax m m m (5) Helmolz frie energi def. ved partisjonsfunksjonen: F U TS ln Z (5) artisjonsfunksjon for sammensatt system: artikler som ikke vekselvirker og kan skjelnes fra verandre: tot artikler som ikke vekselvirker og ikke kan skjelnes fra verandre: Ztotal Z! artisjonsfunksjon for ideell gass: Z ZZZ Z (5) Én partikkel: Z ZtrZint (55) D: p p x y pz Etr / V Etr ; Ztr e m m m s v (56) Kvantevolumet: v = l = π m (57) (54) VZ Z n! v int (58) ( int ) ln Z = lnv + ln Z ln ln v + (59) Gibbs faktor: Sannsynliget for bestemt mikrotilstand Den store partisjonsfunksjonen, Gibbs sum: e ( E( s) ( s))/ () s e s ( E( s) ( s))/ E( s) ( s) / (60) (6) e (6)

Gibbs sum for to partikler: ( ) ( ) ( ) E s AA s BB s / e (6) Fotoners momentum: p = / λ (64) s Midlere fyllingsgrader: Fermi-Dirac-fordelingen n FD = ( )/ e ε µ + (65) Bose-Einstein-fordelingen = n BE ( )/ e ε µ (66) Boltzmanns fyllings-fordeling ( )/ nbm e (67) Fermi-energi og kjemisk potensial: µ (T=0) = εf (68) Fermi-energi, D: F 8m V / (69) Midlere energi for elektroner i degenerert Fermi-gass: Ū = /5 ε F (70) Trykk i degenerert Fermi-gass: U (7) D V Tilstandstetteter (antall enkelt-partikkeltilstander pr. energienet): lancks fordeling: m / 8 g() V / (7) F n l f / e (7) lancks spektrum: 8 u() c e / (74) lancks strålingslov: 4 Effekt pr. arealenet = T (75) 5 4 k 8 W Stefan-Boltzmanns konstant: 5. 67 0 4 (76) 5c mk

Integraler: Rekkeutviklinger: x e dx (77) 0 x e + x, når x<< (78) xx x, x (79) x Diverse tilnærminger: Konstanter: me = 9.09856e - kg e =.60766 0-9 Coulomb R = 8. J/(mol K) A = 6.0 0 k = R/A =,80 6505 0 J/K ln( + x) x, x<< (80)