Теория теплоёмкости Эйнштейна

Квантовая теория теплоёмкостей Эйнштейна была создана Эйнштейном в 1907 году при попытке объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость теплоёмкости от температуры.

При разработке теории Эйнштейн опирался на следующие предположения:

· Атомы в кристаллической решетке ведут себя как гармонические осцилляторы (Фононы), не взаимодействующие друг с другом.

· Частота колебаний всех осцилляторов одинакова и равна .

· Число осцилляторов в 1 моле вещества равно , где — число Авогадро.

· Энергия их квантована: , где , — редуцированная постоянная Планка (постоянная Дирака).

· Число осцилляторов с различной энергией определяется распределением Больцмана: , где — постоянная Больцмана, — термодинамическая температура.

Внутренняя энергия 1 моля вещества:

.

Среднее значение энергии одного осциллятора находится из соотношения для среднего значения:

и составляет:

,

отсюда:

.

Определяя теплоёмкость как производную внутренней энергии по температуре, получаем окончательную формулу для теплоёмкости:

.

Согласно модели, предложенной Эйнштейном, при абсолютном нуле температуры теплоёмкость стремится к нулю, при больших температурах, напротив, выполняется закон Дюлонга — Пти. Величина иногда называется температурой Эйнштейна.

Недостатки теории

Расхождение теорий Эйнштейна и Дебая

Теория Эйнштейна, однако, недостаточно хорошо согласуется с результатами экспериментов в силу неточности некоторых предположений Эйнштейна, в частности, предположения о равенстве частот колебаний всех осцилляторов. Более точная теория была создана Дебаем в 1912 году.

 

Модель Дебая

В термодинамике и физике твёрдого тела модель Дебая — метод, развитый Дебаем в 1912 г. для оценки фононного вклада в теплоёмкость твёрдых тел. Модель Дебая рассматривает колебания кристаллической решётки как газ квазичастиц — фононов. Эта модель правильно предсказывает теплоёмкость при низких температурах, которая, согласно закону Дебая, пропорциональна . В пределе высоких температур теплоёмкость стремится к 3R, согласно закону Дюлонга — Пти.

При тепловом равновесии энергия E набора осцилляторов с различными частотами равна сумме их энергий:

где — число мод нормальных колебаний на единицу длины интервала частот, — количество осцилляторов в твёрдом теле, колеблющихся с частотой ω.

Функция плотности в трёхмерном случае имеет вид:

где V — объём твёрдого тела, — скорость звука в нём.

Значение квантовых чисел вычисляются по формуле Планка:

Тогда энергия запишется в виде

где — температура Дебая, — число атомов в твёрдом теле, — постоянная Больцмана.

Дифференцируя внутреннюю энергию по температуре получим:

 

4) Механизм действия Фононов на электропроводность

СМ Лабу 2, теоретическую часть. Кратко:

В диэлектриках теплопроводность пропорциональна произведению теплоемкости фононного газа, скорости фононов и длины их свободного пробега (определяется так называемым рассеянием различного рода).

В металлах теплопроводность определяется в меньшей степени переносом тепловой энергии фононами и в большей степени движением и взаимодействием свободных носителей заряда – электронов проводимости.

5) термическое расширение твердых тел