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Modelo Clásico del Solido

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Los modelos mas simples son aquellos que asumen que el solido se puede modelar como una colección de resortes que ligan los vecinos más próximos.

>Modelo

ID:(838, 0)



Modelo de Drude de un solido

Definición

En 1904 Paul Drude propuso modelar un solido (cristal) como una grilla con átomos que interactuan de modo de formar pequeños osciladores.

Átomos ligados con conectores tipo resortes

ID:(9507, 0)



Modelo Clásico del Solido

Storyboard

Los modelos mas simples son aquellos que asumen que el solido se puede modelar como una colección de resortes que ligan los vecinos más próximos.

Variables

Símbolo
Texto
Variable
Valor
Unidades
Calcule
Valor MKS
Unidades MKS
\beta
beta
Beta
kg m/s
k_B
k_B
Constante de Boltzmann
J/K
h
h
Constante de Planck
kg m/s
k_s
k_s
Constante del resorte
N/m
V_0
V_0
Energía potencial de deformación macroscopica
J
V
V
Energía potencial entre partículas
J
Z
Z
Función partición del solido clásico
-
\ln Z
ln Z
Logaritmo de la función partición del solido clásico
-
m
m
Masa de la partícula
kg
p_i
p_i
Momento de la partícula i
kg m/s
N
N
Numero de partículas
-
q
q
Posición de la partícula
J
q_i
q_i
Posición de la partícula i
J
q_j
q_j
Posición de la partícula j
J
q_0
q_0
Posición del origen de la partícula
J
T
T
Temperatura
K
\Theta_s
Theta_s
Temperatura de referencia clásica
K
V
V
Volumen del cuerpo
m^3

Cálculos


Primero, seleccione la ecuación:   a ,  luego, seleccione la variable:   a 
Z_s =(1/( h ^(3* N )* N !))*@INT( @PROD(d^3 p_i , i )*@PROD( d^3 q_i , i )*exp(- beta *@SUM( p_i ^2/2m+ V(q_i) ) Z =(1/ h ^(3* N )* N !)*(2* pi * m / beta )^3*( N /2)* V ^ N exp( - beta * V_0 * N ) Z =(2* pi / beta )^(3* N )*( m * a ^2/ V_a )^(3* N /2)*e^(-3 * N * beta * V_0 )/( h ^(3* N )) V = V_0 V(q_i,q_j) = V(q_i) * delta_ij V = V_0 + V_a * ( q / a )^2/2 Theta_s =( hbar / k_B )*sqrt( V_a /( m * a ^2)) Z_s = ( T / Theta_s )^(3 * N )*exp(-3* N * V_0 /( k_B * T )) ln( Z_s )=- 3* N *ln( Theta_s / T )- 3* N * V_0 /( k_B * T ) Z_s =exp(-3 * N * V_0 /( k_B * T ))/( beta * k_B * Theta_s )^(3* N ) ln( Z_s )=- 3* N *ln( beta * k_B * Theta_s )- 3* N * beta * V_0 omega_s =sqrt( V_a /( m * a ^2))betak_Bhk_sV_0VZln Zmp_iNqq_iq_jq_0TTheta_sV

Símbolo
Ecuación
Resuelto
Traducido

Cálculos

Símbolo
Ecuación
Resuelto
Traducido

 Variable   Dado   Calcule   Objetivo :   Ecuación   A utilizar
Z_s =(1/( h ^(3* N )* N !))*@INT( @PROD(d^3 p_i , i )*@PROD( d^3 q_i , i )*exp(- beta *@SUM( p_i ^2/2m+ V(q_i) ) Z =(1/ h ^(3* N )* N !)*(2* pi * m / beta )^3*( N /2)* V ^ N exp( - beta * V_0 * N ) Z =(2* pi / beta )^(3* N )*( m * a ^2/ V_a )^(3* N /2)*e^(-3 * N * beta * V_0 )/( h ^(3* N )) V = V_0 V(q_i,q_j) = V(q_i) * delta_ij V = V_0 + V_a * ( q / a )^2/2 Theta_s =( hbar / k_B )*sqrt( V_a /( m * a ^2)) Z_s = ( T / Theta_s )^(3 * N )*exp(-3* N * V_0 /( k_B * T )) ln( Z_s )=- 3* N *ln( Theta_s / T )- 3* N * V_0 /( k_B * T ) Z_s =exp(-3 * N * V_0 /( k_B * T ))/( beta * k_B * Theta_s )^(3* N ) ln( Z_s )=- 3* N *ln( beta * k_B * Theta_s )- 3* N * beta * V_0 omega_s =sqrt( V_a /( m * a ^2))betak_Bhk_sV_0VZln Zmp_iNqq_iq_jq_0TTheta_sV



Ecuaciones


Ejemplos

En 1904 Paul Drude propuso modelar un solido (cristal) como una grilla con tomos que interactuan de modo de formar peque os osciladores.

image

En general las part culas pueden interactuar lo que se refleja en en energ as potenciales que dependen de dos o mas part culas, como por ejemplo V(q_i,q_2) (interacci n entre dos part culas).

Un caso especial es cuando no existe esta interacci n y la energ a potencial solo depende de la posici n de la part cula misma y no de otras vecinas. Con list es

equation

Una situaci n especial es cuando e modela la presencia de part culas vecinas v a un campo promedio. En este caso tambi n se tiene un potencial que solo depende de la posici n de la part cula aun que el potencial representa como todos los vecinos actual sobre la part cula.

Un caso especial de potencial es el caso de que este sea independiente tanto de momento como posici n asumiendo un valor constante V_0 con list:

equation

Un potencial part cula es el de un resorte que depende de list=3246 es

equation=3246

El modelo se puede llevar a una de cristal con potenciales tipo resortes escalando la posici n con la distancia entre los tomos del cristal a y la profundidad del potencial V_a de la forma

equation

Si el potencial se define con list=9504 como

equation=9504

tiene sentido definir la frecuencia angular

equation

que corresponde a la frecuencia angular con que oscilar a en el limite cl sico.

La funci n partici n de un sistema cl sico\\n\\n

Z=\displaystyle\frac{1}{h^{3N}N!}\int\prod_id^3p_i\prod_id^3q_ie^{-\beta E}



la energ a cin tica se puede representar por la gausseana en el momento y la interacci n por una funci n potencial V(q) es con list:

equation

con h que corresponde a las celdas \Delta q\Delta p con que se fragmenta el espacio de faces.

Se puede suponer que la funci n partici n general es con list=7984

equation=7984\\n\\ncon h que corresponde a las celdas \Delta q\Delta p con que se fragmenta el espacio de faces.\\n\\nSi el potencial V(q) no depende de q entonces el integral en la posici n p se reduce para N part culas es \\n\\n

V^N e^{-\beta V_0 N}

\\n\\ny la integral sobre la gausseana del momento es\\n\\n

\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}dp,e^{-\beta p^2/2m}=\sqrt{\displaystyle\frac{2\pi m}{\beta}}



y la funci n partici n es con list

equation

que corresponde a la de un gas ideal.

Podemos asumir un modelo de un solido, en que cada part cula interactua con sus vecinos v a campo efectivo con lo que se describe como que fuera con list=9503

equation=9503



Se puede suponer que la funci n partici n general es con list=7984

equation=7984

con h que corresponde a las celdas \Delta q\Delta p con que se fragmenta el espacio de faces.

Podemos suponer que el potencial V(q) es de la forma

equation=9504\\n\\nEntonces el integral en la posici n q se reduce para N part culas es \\n\\n

\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}dq,e^{- \beta V_a q ^2/2 a ^2}=\sqrt{\displaystyle\frac{2 \pi a^2 }{ \beta V_a }}

\\n\\ny la integral sobre la gausseanas del momento es\\n\\n

\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}dp,e^{-\beta p^2/2m}=\sqrt{\displaystyle\frac{2\pi m}{\beta}}



Por ello la funci n partici n de un solido cl sico ser a de la forma con list

equation

Si se reordena la funci n partici n con list=8024

equation=8024\\n\\nse puede reescribir como\\n\\n

Z=\left(\displaystyle\frac{2\pi k_B T }{h}\sqrt{\displaystyle\frac{ m a ^2}{ V_a }}\right)^{3N}e^{-3 N \beta V_0 }



con lo que tiene sentido definir una temperatura caracter stica igual a con list

equation

en que se empleo la definici n de la constante de Planck \hbar = h/2\pi.

La funci n partici n con list=8024 es

equation=8024



por lo que con list=9556

equation=9556



se obtiene que con list es

equation

Como la funci n partici n con list=3557

equation=9557

el logaritmo de la funci n partici n es

equation

Como la funci n partici n con list=3557

equation=9557



con la definici n de \beta es con list=3437

equation=3437



el logaritmo de la funci n partici n es con list

equation

Como la funci n partici n con list=3561

equation=9561

el logaritmo de la funci n partici n es

equation


>Modelo

ID:(838, 0)