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.
Дата добавления: 2020-02-05; просмотров: 644;