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Chapter 6 Statistical Thermodynamics (Thermodynamics in Materials Science, DeHoff) Prof. Dr. José Pedro Donoso Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC

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Page 1: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Chapter 6

Statistical Thermodynamics

(Thermodynamics in Materials Science, DeHoff)

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

Page 2: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Capítulo 6

6.1 Microstates, macrostates and entropy

Combinatorial analysis, probability that the system exist in a given macrostate.

Boltzmann hypothesis: S = k lnΩ

connects the atomistic and phenomenological descriptions

6.2 – Conditions for equilibrium in statistical thermodynamics

Partition function:

Calculation of the macroscopic properties from the Partition function

6.3 – Applications

6.3.1 - A model with two energy levels

6.3.2 – Einstein model of a crystal (Cv)

6.3.3 – Monoatomic gas model (traslational partition function)

−=∑

kTxpeP i

r ε

1

Page 3: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Interpretação Estatística da Entropia

1- A irreversibilidade encontrada nos fenômenos macros está ligada a 2a Lei,

expressa como ∆S ≥ 0 (com ∆S > 0 nos processos irreversíveis)

2- As leis básicas da física (mecânica) regem os processos reversíveis

Como conciliar os fatos?

Exemplo: difusão de moléculas de ar numa sala. As colisões entre moléculas é

reversível. Uma concentração de moléculas é extremamente improvável

(condensação espontânea de 1027 moleculas de ar.

Examinamos as configurações possíveis de um gás teórico e calculamos a

probabilidade de encontrar n moléculas numa dada configuração

A caraterização de um estado do gás pela densidade em diferentes regiões

define um macroestado do gás, ao qual podemos associar diversos microestados

Page 4: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Os processos físicos devem ocorrer no sentido em que a probabilidade

associada ao macroestado do sistema aumenta, tendendo ao equilíbrio

termodinâmico, que deve corresponder ao macroestado de máxima

probabilidade

⇒ S deve ser uma medida da probabilidade termodinâmica

Seja W o peso estatístico associado a um macroestado. Como a

probabilidade é o produto das probabilidades P = P1P2 e a entropia é uma

propriedade aditiva, S = S1 + S2, se recorre a função logarítmica:

S = k ln W (Boltzmann, 1872)

W é o número de microestados compatíveis com o macroestado:

∆S = Sf – Si = k ln(Wf/Wi)

(Ref: Moysés Nussenzweig)

Page 5: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Interpretação Estatística da Entropia

Tabela 6.1- microestados de n = 4 partículas identicas distribuidas em dois

níveis de energia, ε1 e ε2

Numero de microestados: N = rn ; onde r é o # estados e n o # de partículas

N = 24 = 16 (A, B, C … na tabela)

Macroestados : I, II, III, IV e V

Interpretação alternativa:

O sistema consome (1/16) do tempo em cada microestado

Consideremos o macroestado II, constitudo dos microestados B,C,D e E, cada

um deles existindo por (1/16) do tempo. Este macroestado ocorre então

4×(1/16) = ¼ do tempo.

⇒ A probabilidade de observar o macroestado II em qualquer instante é ¼

Page 6: Chapter 6 Statistical Thermodynamics
Page 7: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

# total de partículas: No # de estados: r

# de estados das No partículas:

(corresponde ao número de diferentes maneiras que No partículas

podem ser arranjadas nos r estados)

Macroestados do sistema: (n1, n2, …., nr) onde ni corresponde ao # de partículas

em cada estado εεεεI. O # de microestados que correspondem ao macroestado (n1, n2,

…., nr), ou seja, de quantas maneiras posso arranjar No bolinhas em r caixinhas,

tendo n1 bolinhas na primeira caixa, n2 na segunda, etc.:

Analisis de combinações

!!...!

!

21 r

o

nnn

N=Ω

oNr

A probabilidade do sistema estarnum determinado macroestado:

oo Nr

i

i

o

N

J

Jr

n

N

rP

1

!

!

1

∏=

=

Page 8: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Analisis de combinações

Macroestados: I, II, III, IV e V (Tabela 6.1)

ΩΩΩΩI é o número de microestados que correspondem ao macroestado I, II, etc

Page 9: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Entropia a T = 0 K

A entropia residual é originada

na desordem molecular que

ainda existe a T = 0 K

Cálculo da entropia residual

de uma substância utilizando

a relação de Boltzmann

S = k lnΩΩΩΩ

Atkins: Principios de Química

Atkins: Fisico Química

Rock: Chemical Thermodynamics

Page 10: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Entropia a T = 0 K (entropia residual)

Na molécula CO, a entropia residual medida é cerca de 5 J/mol-K.

Nesta estrutura, cada molécula pode adotar 2 orientações de igual

energia a T = 0 K, então:

S = k lnΩΩΩΩ = k ln 2= (1.38××××10-23)(6.02××××1023)ln 2 = 5.76 J/K

⇒⇒⇒⇒ sugere que no cristal, as moléculas estão arranjadas de forma aleatória

Estrutura aleatoria:

CO, CO, OC, CO,…

1 mol de CO contém

No = 6.02××××1023 moleculas

Page 11: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Entropia residual do FeClO3

O numero total de modos de

arranjar as molécula num cristal

contendo N moleculas é:

Ω= (4·4·4…)N = 4N

Entropia: S = k ln 4N = k N ln 4

Como 1 mol de FClO3 contém No

moléculas, então

S = (1.38××××10-23 J/K)(6.02××××1023)ln 4

= 11.5 J/K-mol

Valor experimental: 10.1 J/K-mol

Page 12: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

6.2 – Conditions for equilibrium in statistical thermodynamics

Usando as propriedades dos logaritmos:

=

∏ !

!ln

i

o

n

NkS

[ ]∑−= )!ln(!ln io nNkS

xxxx −≅ ln!lnAplicando a aproximação de Stirling

e lembrando que o número total de

partículas no sistema é a soma do

número em cada nível:∑=

r

io nN1

( )[ ]

−=−= ∑∑

o

i

iioiN

nnknNnkS lnlnln

Esta relação pode ser usada para calcular a entropia de qualquer macroestado

Page 13: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

O processo termodinâmico envolve a mudança do número de partículas

nos estados. A mudança de entropia é

Esta expressão descreve a mudança de entropia para qualquer processo no

Sistema, sem restrições sobre a natureza da redistribuição das partículas nos

níveis de energia εi

Aplicando o método dos multiplicadores de Lagrange o autor impõe a

condição de equilíbrio: o maximo na entropia:

onde P é a Função de partição do sistema.

[ ] i

o

i

oiii dnN

nkNnnndkdS ∑∑

−=−−= lnlnln

iii

o

i dnkTP

kdnN

nkdS ∑∑

−=

−= )/exp(

1lnln ε

)/exp(1

kTPN

ni

o

i ε−=

)/exp(1

kTPr

i∑ −= ε

Page 14: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Calculations of the macroscopic properties from the partition function

O valor da entropia para a distribuição de equilíbrio é:

Da definição da energia livre de Helmholtz:

A energia interna do sistema:

∑∑∑ +=

−= iiii nPkn

kT

kkT

PkS ln)/exp(

1ln εε

oPNkUT

S ln1

+=⇒⇒⇒⇒

PkTNTSUF o ln−=−=

V

oo

V T

PkTNPkN

T

FS

∂+=

∂−=

lnlnCalculamos S em função da

função de partição P:

∂=+=

T

PkTNTSFU o

ln2

e o calor específico:V

oo

V

VT

PkTN

T

PkTN

T

UC

∂+

∂=

∂=

2

22 lnln

2

Page 15: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Aplicação: gas ideal monoatómico

Função de partição:

Energia interna:

Entropia:

Calor específico:

2/32

=

m

kTVP

π

Tm

kVP ln

2

32ln

2

3lnln +

+=

π

kNm

kTVkN

T

PkTNPkNS oo

V

oo2

32ln

lnln

2/3

+

=

∂+=

π

kTNT

PkTNU oo

2

3ln2 =

∂=

RkNT

UC o

V

V2

3

2

3==

∂=

Page 16: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Aplicação : modelo de Einstein de um cristal

Einstein desenvolveu um modelo

simples para descrever a termodinâmica

de um sólido cristalino

-Os atomos estão arranjados numa

estrutura cúbica

-Um cristal de No átomos contém 3No

ligações

-Os átomos vibram emtorno de suas

posições de equilíbrio. As energias

estão quantizadas:

( ) νε h2

1+= ii

Page 17: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Função de partição:

Energia livre de

Helmholtz:

Entropia e

Energia interna:

Expansão em série:

[ ] ( )( ) ( )∑∑∑ −−+−

=== kTikTkTir

kTeeeeP

i

//2

1/)2/1(

0

νννε

hhh

( ) ( )kT

ikT

ee

/0

/

1

ν

h

h

∞−

−=∑

( )( )

( )kT

kT

e

eP

/

/2/1

1 ν

ν

h

h

−=⇒

( )[ ]kTe

kTP

/1ln2

1ln νν hh −−−−=

( )[ ]kT

ooo ekTNNPkTNF /1ln32

3ln3 νν h

h−−+=−=

VT

FS

∂−= TSFU +=

Page 18: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Calor específico:

Atkins:

( )

( )( )2/

/2

13

kT

kT

o

V

V

e

e

kTkN

T

UC

ν

ννh

hh

=

∂=

( )2

2

1 x

x

Vm

e

ex

R

C

−= kT

x νh≡

onde ν é a frequência vibracional obtida por espectroscopia Infravermelha ou Raman

CV do diamente:

Teoria e medidas

experimentais.

(θE = 1320 K)

Page 19: Chapter 6 Statistical Thermodynamics
Page 20: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Num estudo de espectroscopia da molécula C60,

Negri e col. (J. Phys. Chem. 100, 10849, 1996)

observaram as seguintes bandas vibracionais:

Calor específico CV da nolécula C60 fullerene

- um modo com simetria Au (degenerescência 1) em 976 cm-1

-quatro modos T1u (degenerescência 3) em 525, 578, 1180, 1430 cm-1

-cinco modos T2u em 354, 715, 1037, 1190, 1540 cm-1

-seis modos Gu (degenerescência 4) em 345, 757, 776, 963, 1315, 1410 cm-1

-sete modos Hu (degenerescência 5) em 403, 525, 667, 738, 1215, 1342, 1566

( ) 2

2

2

2

)1(1)/exp(

)/exp(x

x

V

V

e

ex

kTh

kTh

kT

h

R

C−

−=

=

ν

ννO calor específico, obtido

da função partição do

oscilador harmônico:

Page 21: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Estimar o calor específico da molécula C60 a 1000 K

Consideramos os modos ativos com temperatura vibracional θv = (kT/hc)< 1000

(Cv/R) = 3(0.953) + 3(0.98) + 4(0.977) + 5(0.953) + 5(0.929) + 3(0.964)= 26.86

Somando a contribução vibracional (26.86R), rotacional (3R/2), traslacional

(3R/2) e a eletrônica (R), obtemos Cv = 31R = 31(8.31) = 258 J/mol K

Ref: Atkins, Fisico Química

Page 22: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

1819 – Pierre Louis Dulong e Alexis T. Petit encontram experimentalmente

para sólidos não metálicos que:

Calor específico dos sólidos

=≈

molK

JRC mV 253,

Porém, a Lei de Dulong e Petit não explica que Cv,m→ 0 quando T → 0

1906 – Albert Einstein:

( )2

2

1)/exp(

)/exp(3

=

kTh

kTh

kT

hNkCV

ν

νν

Este modelo prediz Cv → 3R quando T → ∞ (Dulong e Petit) e explica que

Cv,m→ 0 quando T → 0. Mais o modelo falha a baixas temperaturas.

Page 23: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

1912 – Peter Joseph William Debye propõe seu modelo de calor espécico

dos sólidos, que asume uma distribuição contínua de frquências até νD:

Temperaturas de Debye:

( )dx

e

exTNkC

T

x

x

D

V ∫−

=

/

0

2

43

19

θ

θ kT

hx

ν=onde

72Mercurio (s)

75Neon

225Ouro

2230Diamante

θD

(K)Material

3

4

5

12

=

D

V

TNkC

θπ

limite T → 0:

Page 24: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Calor específico do Silicio (lei T3)

Page 25: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

SiO2 : Tg ≈ 1200oC, Tm = 1610oC

Ref: Mary Anne White: Properties of Materials

Calor específico de sistemas complexos: vidro

C(T) de um sólido cristalino,

um líquido e um vidro.

O C(T) de um líquido é mais

elevado que o de um cristal

devido ao maior número de

graus de liberdade no liquido.

A queda de C(T) abaixo de Tg

resulta da mudança nos graus de

liberdade do líquido

superesfriado para o vidro.

Supercooled liquid: a liquid

cooled below its normal freezing

point (metastable)

Page 26: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Entropia molecular: O2 a 298 K

Função de Partição traslacional:

Molécula O2: Como m = 2mH, So aumenta em Rln23/2

Vh

mkTqt

2/3

2

2

=

π

RP

kT

h

mkTR

N

q

T

qTNkS t

2

52ln1ln

ln2/3

2+

=

++

∂=

πEntropia:

6

2/3

21055.2

2×=

o

P

kT

h

mkTπAtomo de oxigênio (mH = 16 uma = 2.657×10-26 kg)

( )[ ]molK

JS t

o

−=×+= 4.143)1055.2ln(5.2314.8 6

molK

JRS t

o

−=+= 08.1522ln4.143 2/3

Page 27: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Contribuição Rotacional

Função de Partição:

Molécula O2 a 298 K: I = 1.937×10-46 kg-m2 ⇒ θr = 2.08

Entropia:

Frequência vibracional: 1580.25 cm-1

σθ

Tqr =

σσσσ vale 2 moléculas homonucleares e 1 para as heteronucleares

Ik

hr 2

2

8πθ =

molK

JTeRS

r

ro

−=

=

= 84.43

)08.2(2

)298)(718.2(314.8ln

1

σθ

Contribuição vibracional

Função de Partição:

+=

−T

v

eq

θ

1

1

k

hc

k

hv

ννθ ==

Kmol

Je

e

TRS T

T

vo

−=

−−

−=

−035.0)1ln(

)1(

θ

θ

θ

Page 28: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Contribuição Eletrônica

Função de Partição:

Entropia:

Valor tabelado: 205.14 J/K-mol

Da mesma forma:

onde εI é a energia do estado, D é a energia de dissociação e gi é degenerecência

do nível, gi = (2J+1). Na molécula de O2, o estado fundamental é um tripleto e

D = 491.89 kJ/mol (os estados excitados estão muito longe)

Entropia padrão do O2:

kTD

TTe egegeggq 0210 ... =+++=

−− θθ

KmolJgRS e

o

−=== 13.9)3ln()314.8(ln 0

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 34.29024.02

5 =+++=+++= RRRCCCCCe

o

Pv

o

Pr

o

Pt

o

P

o

P

Valor tabelado: 29.355 J/K-mol. (Ref: Physical Chemistry, Alberty + Silbey)

( )molK

JSSSSS eo

vo

ro

too

−=+++= 09.205

Page 29: Chapter 6 Statistical Thermodynamics
Page 30: Chapter 6 Statistical Thermodynamics
Page 31: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

6.4 – Alternate Statistical Formulations

Estatística de Maxwell – Boltzmann

BA

BA

AB

BA

AB

BA

AB

AB

AB

321

Consideremos um sistema de duas partículas

(A e B) que podem ocupar os níveis de energia

(1, 2 e 3):

-as duas partículas são distinguíveis

-a partícula pode estar em qualquer estado

⇒⇒⇒⇒ há 32 = 9 estados possíveis

Page 32: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Estatística de Bose - Einstein

Duas partículas (A e B) e três níveis de energia

-as duas partículas são indistinguíveis

-o estado pode estar ocupado por qualquer

número de partículas

-há 3 maneiras de colocar as partículas no

mesmo estado

-há 3 formas diferentes de colocar as partículas

em diferentes estados

⇒⇒⇒⇒ há 3 + 3 = 6 estados possíveis para o gás

AA

AA

AA

AA

AA

AA

321

Page 33: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Estatística de Fermi - Dirac

Duas partículas (A e B) e três níveis de energia

-as duas partículas são indistinguíveis

-apenas uma partícula pode ocupar um dado

estado

⇒⇒⇒⇒ há 3 estados possíveis para o gás

AA

AA

AA

321

Page 34: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Aplicação:

Consideremos um sistema de 2

partículas cada uma das quais pode

ocupar qualquer um dos três estados

quânticos de energia 0, εεεε e 3εεεε

112xx

112xx

112xx

011xx

011xx

011xx

F-DB-EM-B3εεεεε0

( )332121 εεεβ nnn

iegz++−∑=

Função de partição:

( ) ( ) ( ) ( )εεβεβεβεββεβ 33003220 222111 +−+−+−−−− +++++= eeeeeezMB

( ) ( ) ( ) ( )εεβεβεβεββεβ 333220 111 +−−−−−− +++++= eeeeeezBE

( ) ( ) ( )εεβεβεβ 3300 +−+−+− ++= eeezFD Reif: Statistical and Thermal Physics

Page 35: Chapter 6 Statistical Thermodynamics

Problemas propostos pelo autor

6.3 – Sistema de duas partículas e 4 níveis de energia: número de microestados e macroestados

6.4 – Numero de microestados de diferentes sitemas

6.5 – Sistema de 10 partículas e níveis de energia: En = (n+½)Eo

6.7 – Mudança de entropia associada a um processo no qual muda o

número de partículas em cada nível de energia

6.9 - ∆∆∆∆U : cristal aquecido reversívelmente de 90 K →→→→ 210 K

6.10 – ∆∆∆∆S gas ideal (273 K,, 1 atm) →→→→ (500 K, 3.5 atm) usando a

(a) termodinâmica fenomenolôgica e (b) termodinâmica estatística