FI-5002 Mekanika Statistik SEMESTER/ Sem /2017 PR#1 : Review of Thermo & Microcanonical Ensemble Dikumpulkan :

dokumen-dokumen yang mirip
Atau dengan menginverse S = S(U), menjadi U=U(S), kemudian menghitung:

SOLUTION QUIZ 1 INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA

Ensembel Grand Kanonik Klasik. Part-1

Ensembel Kanonik Klasik

Ensembel Grand Kanonik Klasik. Part-2

Ensembel Grand Kanonik Klasik. Part-2

Chap. 8 Gas Bose Ideal

Perumusan Ensembel Mekanika Statistik Kuantum. Part-1

2.7 Ensambel Makrokanonik

SOLUTION INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA

Chap 7a Aplikasi Distribusi. Fermi Dirac (part-1)

2.11 Penghitungan Observabel Sebagai Rerata Ensambel

n i,n,v = N (1) i,n,v Kedua, untuk nilai termperatur tertentu, terdapat energi rerata n i,n,v E i = N < E i >= N U (2) V i,n,v n i,n,v N = N N (3)

Teori Ensambel. Bab Rapat Ruang Fase

TERMODINAMIKA & FISIKA STATISTIK (Tes 3)

K 1. h = 0,75 H. y x. O d K 2

1. (25 poin) Sebuah bola kecil bermassa m ditembakkan dari atas sebuah tembok dengan ketinggian H (jari-jari bola R jauh lebih kecil dibandingkan

Elektron Bebas. 1. Teori Drude Tentang Elektron Dalam Logam

= = =

2. Deskripsi Statistik Sistem Partikel

BAB 10 SPONTANITAS DAN KESETIMBANGAN Kondisi Umum untuk Kesetimbangan dan untuk Spontanitas

peroleh. SEcara statistika entropi didefinisikan sebagai

Chap 7. Gas Fermi Ideal

Teori Ensambel. Bab Rapat Ruang Fase

Keunggulan Pendekatan Penyelesaian Masalah Fisika melalui Lagrangian dan atau Hamiltonian dibanding Melalui Pengkajian Newton

Ensembel Grand Kanonik (Kuantum) Gas IDeal

VIII. Termodinamika Statistik

IX. Aplikasi Mekanika Statistik

Soal-Jawab Fisika Teori OSN 2013 Bandung, 4 September 2013

VI. Teori Kinetika Gas

Fisika Panas 2 SKS. Adhi Harmoko S

3. Termodinamika Statistik

BAB IV OSILATOR HARMONIS

4. Hukum-hukum Termodinamika dan Proses

Pendahuluan. Bab Keadaan mikro dan keadaan makro. 1.2 Ruang Fase

BAB III SISTEM DAN PERSAMAAN KEADAAN

ILMU FISIKA. Fisika Dasar / Fisika Terapan Program Studi Teknik Sipil Salmani, ST., MS., MT.

W = p V= p(v2 V1) Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan volume yang ditulis sebagai

Efek de Haas-Van Alphen

Pengertian Dasar Termodinamika Termodinamika secara sederhana dapat diartikan sebagai ilmu pengetahuan yang membahas dinamika panas suatu sistem Termo

Catatan Kuliah FI1101 Fisika Dasar IA Pekan #8: Osilasi

I. Beberapa Pengertian Dasar dan Konsep

INFORMASI PENTING Massa electron NAMA:.. ID PESERTA:.. m e = 9, kg Besar muatan electron. e = 1, C Bilangan Avogadro

1/32 FISIKA DASAR (TEKNIK SIPIL) KINEMATIKA. menu. Mirza Satriawan. Physics Dept. Gadjah Mada University Bulaksumur, Yogyakarta

Statistik + konsep mekanika. Hal-hal yang diperlukan dalam menggambarkan keadaan sistem partikel adalah:

SOAL PEMBINAAN JARAK JAUH IPhO 2017 Pekan V Dosen Penguji : Dr. Rinto Anugraha

Listrik Statik. Agus Suroso

perpindahan, kita peroleh persamaan differensial berikut :

INSTRUMEN PENELITIAN LPTK TAHUN 2003

BAB V MOMENTUM ANGULAR Pengukuran Simultan Beberapa Properti Dalam keadaan stasioner, momentum angular untuk elektron hidrogen adalah konstan.

Setelah Anda mempelajari KB-1 di atas, simaklah dan hafalkan beberapa hal penting di. dapat dihitung sebagai beriktut: h δl l'

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Dengan mengalikan kedua sisi persamaan dengan T akan dihasilkan

16 Mei 2017 Waktu: 120 menit

Magnetostatika. Agus Suroso. Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi, Institut Teknologi Bandung. 23,24 Februari 2016

Rencana Pembelajaran Kegiatan Mingguan (RPKPM).

HAND OUT FISIKA KUANTUM MEKANISME TRANSISI DAN KAIDAH SELEKSI

KINEMATIKA. Fisika. Tim Dosen Fisika 1, ganjil 2016/2017 Program Studi S1 - Teknik Telekomunikasi Fakultas Teknik Elektro - Universitas Telkom

Listrik Statik. Agus Suroso

BAB V PERAMBATAN GELOMBANG OPTIK PADA MEDIUM NONLINIER KERR

Integral yang berhubungan dengan kepentingan fisika

ANALISIS VEKTOR. Aljabar Vektor. Operasi vektor

Pembimbing : Agus Purwanto, D.Sc.

FISIKA DASAR HUKUM-HUKUM TERMODINAMIKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Teori Relativitas. Mirza Satriawan. December 7, Fluida Ideal dalam Relativitas Khusus. M. Satriawan Teori Relativitas

Magnetostatika. Agus Suroso. Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi, Institut Teknologi Bandung. 20 Februari 2017

Pemodelan Matematika dan Metode Numerik

C21 FISIKA SMA/MA IPA. 1. Seorang siswa mengukur panjang dan lebar suatu plat logam menggunakan mistar dan jangka sorong sebagai berikut.

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

Gelombang Elektromagnetik

Fungsi Gamma. Pengantar Matematika Teknik Kimia. Muthia Elma

Analisis Energi Osilator Harmonik Menggunakan Metode Path Integral Hypergeometry dan Operator

TEORI KINETIK GAS (II) Dr. Ifa Puspasari

Soal dan Solusi Materi Elektrostatika

tak-hingga. Lebar sumur adalah 4 angstrom. Berapakah simpangan gelombang elektron

Hendra Gunawan. 5 Maret 2014

TERMODINAMIKA HUKUM KE-0 HUKUM KE-1 HUKUM KE-2 NK /9

FUNGSI KHUSUS DALAM BENTUK INTEGRAL

Copyright all right reserved

Fisika Dasar I (FI-321)

Pembahasan Soal SNMPTN 2012 SELEKSI NASIONAL MASUK PERGURUAN TINGGI NEGERI. Disertai TRIK SUPERKILAT dan LOGIKA PRAKTIS.

Perkuliahan Fisika Dasar II FI-331. Oleh Endi Suhendi 1

SOLUTION INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA

BAB IV TERMOKIMIA A. PENGERTIAN KALOR REAKSI

Keep running VEKTOR. 3/8/2007 Fisika I 1

FISIKA XI SMA 3

MEDAN LISTRIK. Oleh Muatan Kontinu. (Kawat Lurus, Cincin, Pelat)

BAB II DASAR TEORI. A. Kemagnetan Bahan. Secara garis besar, semua bahan dapat dikelompokkan ke dalam bahan magnet. seperti terlihat pada Gambar 2.

KB. 2 INTERAKSI PARTIKEL DENGAN MEDAN LISTRIK

PERSAMAAN DIFERENSIAL (PD)

GARIS-GARIS BESAR PROGRAM PENGAJARAN

Makalah Termodinamika Pemicu 4: Kesetimbangan Fasa Uap-Cair

Listrik Statik: Muatan, Gaya, Medan

MATEMATIKA 3 Turunan Parsial. -Irma Wulandari-

BAB I BESARAN DAN SISTEM SATUAN

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN. dan medan hidrodinamik. Pertama, dengan menentukan potensial listrik V dan

I. Pendahuluan Listrik Magnet Listrik berkaitan dengan teknologi modern: komputer, motor dsb. Bukan hanya itu

BAB: TEKNIK PENGINTEGRALAN Topik: Metode Substitusi

HUKUM TERMODINAMIKA II Thermodynamics: An Engineering Approach, 5th edition by Yunus A. Çengel and Michael A. Boles

Transkripsi:

ISTITUT TEKOLOGI BADUG FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PEGETAHUA ALAM PROGRAM STUDI FISIKA FI-500 Mekanika Statistik SEMESTER/ Sem. - 016/017 PR#1 : Review of Thermo & Microcanonical Ensemble Dikumpulkan : 1. Review Thermodynamics Hukum ke I Thermodinamika untuk sistem tertutup yg tak ada pertukaran partikel adalah dq = du + dw dengan Q: kalor yg masuk sistem, U: energi dalam sistem dan W adalah usaha yg dilakukan sistem. a. Untuk sistem terbuka, sistem boleh bertukar partikel dengan lingkungan. Misalkan pertambahan energi untuk tiap tambahan 1 partikel ke dalam sistem adalah μ (disebut juga potensial kimia). Tuliskan modifikasi hukum I Thermodinamika untuk kasus ini, jika adalah jumlah partikel didalam sistem. (point:5) b. Salah satu fungsi energi bebas yg penting adalah energi bebas Helmhotz A, yang memiliki definisi A = U TS dengan T temperatur dan S : entropi. Menggunakan definisi tsb buktikan hal berikut ini: (point:5) (i) ( A T ) = S (ii) ( A,V V ) = P (iii) ( A,T ) = μ T,V c. Pakailah (b) untuk menurunkan Maxwell relations berikut ini: (point:5) (i) T ) = ( S,V V ) (ii) ( S,T ) = ( μ V,T T ) V, (iii) ) = ( μ T,V V ) T, a. dq = TdS, dw = PdV untuk sistem tertutup (tanpa pertukaran partikel) maka hukum 1: du = TdS PdV Jika ada d partikel masuk ke sistem maka ada tambahan energi dalam sebesar μ d, sehingga hukum 1 berubah menjadi : du = TdS PdV + μ d b. Mulai dari A = U TS, maka da = du TdS S dt. Substitusi du dari (a) maka : da = PdV S dt + μ d Sehingga jelas: c. Maxwell relations: dari (b) Dengan cara serupa: Demikian juga: P = ( A V ) T,, S = ( A T ),V, μ = ( A ) T,V T ) = ( A ) dan ( S T V V ) = ( A V T ) T ) = ( S V ) ( S ) = ( A ) dan ( μ T T ) = ( A T ) ( S ) = ( μ T ) ) = ( A ) dan ( μ V V ) = ( A V ) ew SOLUTIO

) = ( μ V ). Ensembel mikrokanonik dan paradox Gibbs. Gas ideal partikel yg tidak saling berinteraksi dalam ruang V dengan massa masing-masing partikel m. Dengan H adalah Hamiltonian gas ideal H(q, p) = p i m Dengan pi adalah vektor momentum partikel ke -i, dan qi : vektor posisi partikel ke-i. Definisikan banyaknya keadaan di ruang fasa untuk energy H(q,p) <= E adalah: Ω (E, V, T) = ( 1 h 3) d3 pd 3 q a. Hitunglah Ω (E, V, T) tsb di atas. (bobot:5) b. Pakailah aproksimasi Stirling bagi ln x! untuk mendapatkan ungkapan bagi entropi S(E,V,T). (bobot:5) c. Misalkan juga sebuah ruang disekat volumenya sama, masing-masing memiliki volume =V. Kedua ruang diisi gas ideal yg sama, masing-masing jumlah partikelnya sama, yaitu. Demikian juga temperaturnya sama yaitu T. Pakailah (b) untuk mendapatkan ungkapan bagi entropi sistem yg bersekat ini S. (bobot:5) d. Sekarang sekat dibuka, hitung entropi sistem yang baru S (bobot:3) e. Hitunglah perubahan entropi yang terjadi S= S -S, dan jelaskan apakah entropi bertambah atau berkurang, serta jelaskan bagaimanakah hasil yang seharusnya. (bobot:) f. Jelaskan bagaimanakah perbaikan dari definisi Ω (E, V, T) agar didapatkan hasil yg benar, dan tunjukkanlah hasil yg benar tsb setelah memakai definisi Ω yang baru. (bobot:5) a. Dengan Ω (E, V, T) = ( 1 h 3) d3 pd 3 q = H(q, p) = p i E m ( V h 3) d3 p Integral tsb menyatakan volume bola berdimensi 3, dengan jari-jari R = me : V3(R) yg diberikan oleh: V 3 (R) = 3 R 3 Γ( 3 = 3 (me) 3/ + 1) Γ( 3 + 1) Sehingga: 3 Ω (E, V, T) = ( V (me) 3/ h3) Γ( 3 + 1) b. Entropi S adalah S= k ln 3 S = k ln Ω (E, V, T) = k ln {( V (me) 3 h3) Γ ( 3 } = k ln ( V + 1) h Dengan definisi fungsi dan aproksimasi stirling: 3) + 3k 3 ln(me) + k ln ( Γ ( 3 ) + 1) Langkah terakhir karena besar sekali! k ln Γ ( 3 + 1) = k ln (3!) k {3 ln 3 3 }

Sehinga entropinya adalah: S = k ln ( V 3k h3) + Atau ln(me) 3k {ln 3 1} = k ln ( V h S = k ln [ V 3 h 3 (4mE 3 ) 3k ] + 3k 3) + ln (4mE 3 ) + 3k c. Ruang masing-masing volume V, bersekat dengant sama (jadi E sama), gas yang sama. Kita tuliskan ulang entropinya: Or dengan S = k ln [V ( E 3 ) 3k ] + ( ) { ln [(4m 3h ) ] + 1} u = E = 3 kt S = k ln(vu 3/ ) + s 0 s 0 = ( 3k ) { ln [(4m 3h ) ] + 1} Suku u: energi perpartikel hanya bergantung temperatur, sedangkan s0 : suku yang hanya bergantung kepada massa per partikel saja. Sekarang entropi gabungan volume V masing-masing berisi gas ideal dengan suhu yang sama berarti: S = S 1 + S = k ln (Vu 3 ) + s 0 d. Sekat dibuka, maka sekarang volume V, jumlah partikelnya, tapi u akan sama karena temperatur sama, demikian juga s0 akan sama sebab massa perpartikel sama. Sehingga entropi gabungannya menjadi: e. Perubahan entropinya S 1 = k ln[vu 3/ ] + s 0 ΔS = S 1 S = k ln > 0 Padahal karena kedua sistem gas tsb identik, tak ada perubahan entropi! Jika bertambah maka entropi bukan lagi fungsi keadaan akan tetapi bergantung sejarah bagaimana gas tsb dicampur-campurkan (seperti membuka sekat-sekat tsb), dan ini akan membawa nilai entropi tak hingga! Jadi seharusnya S=0 f. Untuk mengatasi hal ini Gibbs mengusulkan penambahan 1/! dalam menghitung banyaknya keadaan awal: Ω (E, V, T) = 1! ( 1 h 3) d3 pd 3 q Sehingga dengan ini nilai entropi harus dikoreksi dengan faktor (dengan aproksimasi Stirling!): S koreksi = k ln! k ln + k Jadi nilai entropi yg tepat adalah: S = k ln(vu 3/ ) + s 0 k ln + k Dengan S = k ln( V u3/ ) + s 0 s 0 = ( 3k ) { ln [(4m 3h ) ] + 5 3 }

Memakai definisi yang baru ini maka: (i) entropi sebelum pencampuran (ii) entropi setelah pencampuran S = S 1 + S = k ln ( V u3 ) + s 0 S 1 = k ln ( V u3 ) + s 0 Sehingga perubahan entropinya :ΔS = S 1 S = 0 3. Osilator Harmonik Klasik. Misal terdapat (besar sekali) osilator harmonis yang tidak saling berinteraksi dan masing-masing sudah menempati lokasi tertentu sehingga terbedakan. Hamiltonian sistem diberikan oleh H(q, p) = 1 mω q i + p i m dengan qi simpangan dan pi : momentum, serta m adalah massa osilator. a. Turunkanlah ungkapan bagi Q yaitu fungsi partisi kanonik sistem osilator harmonis ini. (bobot:10) b. Turunkan ungkapan bagi A fungsi energi bebas Helmhotz: (bobot:5) c. Pergunakan (b) untuk mendapatkan tekanan (P), Entropi (S) dan energi dalam U (atau E). (bobot:10) a. Fungsi partisi Kanonik Klasik Q = ( 1 h ) exp( βh(q, p))d pd q Q = ( 1 h ) exp( β 1 mω q i + p i m ) d pd q Q = ( 1 h ) exp( β (1 mω q i + p i m )) dq i dp i Q = ( 1 h ) Integral tsb diatas dapat dihitung dengan mudah: exp( β (1 mω q i + p i m )) dq i dp i exp( β ( 1 mω q i + p i m )) dq i dp i = [ exp ( β ( 1 mω q x )) dq x exp( β ( p x m ) dp x ] = [ β mω β m Q = ( 1 h) [kt ω ] = ( kt ω ) ] b. Fungsi energi bebas Helmhotz A: c. Tekanan, Entropi dan Energi rata-rata : A = kt ln Q = kt ln ( kt ) = kt ln (kt hω ħω ) P = A V = 0 S = A = k ln (kt T ħω ) + k

Dengan β = 1 kt E = kt ln ( kt ħω ln Q E = U = = (βa) A T ) + β = kt ln (kt T ħω ) + 1 kt E = kt A = A + β ( k ln (kt ħω ) k) ( kt ) 4.Sebuah atom dengan momen dipol magnetik yg bersudut terhadap medan magnet luar B memiliki energi magnetik E = - B cos. Banyaknya seluruh keadaan ( volum ruang fasa) yang mungkin untuk yg bersudut tertentu adalah : sin d (dalam koordinat bola). a. Turunkan ungkapan bagi fungsi partisi kanonik bagi 1 atom ini: Q1 (,B, T) (bobot:5) Q 1 = e βe(θ) θ,φ Dengan mengaproksimasi Σ sinθdθdφ b. Anggap atom tak dapat dibedakan, dapatkan ungkapan fungsi partisi kanonik bagi kumpulan buah dipol magnet yg tak saling berinteraksi. (bobot:5) c. Hitunglah energi magnetik rata-ratanya E sebagai fungsi,,b, T (bobot:5) d. E terkait dengan momen dipol magnetik rata-rata m melalui E = -m B. Dapatkan ungkapan bagi m sebagai fungsi,,b, T(bobot:5) e. Pada temperatur T tinggi dapatkan ungkapan aproksimasi bagi m(bobot:5) a. Fungsi partisi kanonik 1 atom: Q 1 = exp(βμb cos θ)sinθdθdφ θ=0 φ=0 = ( 1 βμb ) eβμbcosθ ]θ=0 Q 1 = ( 1 βμb ) (eβμb e βμb ) = 4 βμb sinh(βμb) b. Untuk sistem atom tak terbedakan yg tak saling berinteraksi: Q = 1! (Q 1) = 1! [ 4 βμb sinh(βμb)] c. Energi rata-rata : ln Q E = U = 4 = ln [ βμb sinh(βμb)] E = ( 1 ) ln[sinh(βμb)] = kt μb coth (μb β kt ) d. Momen dipol magnetik rata-rata, m: E = mb m = E B = kt + μ coth (μb B kt ) Atau dapat juga dituliskan sbg: m = μ {coth ( μb kt ) kt μb } μl(βμb) Dengan fungsi L dikenal sebagai fungsi Langevin: L(βμB) = coth ( μb kt ) kt μb e. Pada temperature tinggi: Pada suhu tinggi maka coth x 1 x + 1 3 x 1 45 x3 +

Sehingga Atau sampai orde pertama : L(βμB) 1 3 (μb kt ) 1 3 45 (μb kt ) + m = μ { 1 3 (μb kt ) 1 3 45 (μb kt ) + } m 1 3 (μ B kt ) 5. Sebuah sistem terdiri dari partikel bebas. Energi tiap partikel hanya bisa memiliki status keadaan dengan masing-masing memiliki tingkat energi 0 dan E (>0). Misalkan sebanyak n 0 partikel tsb di level energi 0, dan n 1 di level energi E serta total energi sistem U. a. Turunkan Ω(U, ) yaitu banyaknya seluruh keadaan yang mungkin terkait dengan energi total U dan jumlah partikel. (point:5) b. Tuliskan entropi sistem ini S = S(U, ) (point:5) c. Turunkan ungkapan bagi temperatur T = T(U,). (point:5) d. Berdasarkan hasil (c), tunjukkan kondisi agar temperatur bernilai negatif! (point:5) a. Banyaknya keadaan Ω(U, ) adalah banyaknya kombinasi dari partikel dibagi menjadi dua macam yaitu n0 di level-0 dan n1=-n0 di level-e. Asumsi partikel distinguishable maka U = n 0 0 + ( n 0 ) E = ( n 0 )E Sehingga n 0 = ( U E ) Banyak seluruh keadaan terkait ini adalah Ω(U, ) = b. Entropi sistem! n 0! ( n 0 )! =! ( U E )!(U E )!! S(U, ) = k ln Ω(U, ) = k ln ( ( U ) E )! (U E )! Untuk besar dipergunakan aproksimasi Stirling: S(U, ) = ln! ln ( U k E )! ln (U E )! S(U, ) ln ( U k E ) ln ( U E ) + ( U E ) (U E ) ln (U E ) + (U E ) c. Temperatur S(U, ) ln ( U k E ) ln ( U E ) (U E ) ln (U E ) Atau 1 T = ( S U ) = k {1 E ln ( U E ) 1 E ln (U E )} 1 T = k {ln (E E U 1) } E T(U, ) = k ln ( E U 1) d. Kondisi agar T < 0: yaitu jika 0 < ( E E 1) < 1 atau 1 < < atau 1 > U > 1 U U E atau 1 E < U < E. Ini berarti lebih banyak partikel berada di level E (upper level) dibandingkan yang di level 0! Hal ini juga dikenal sebagai population inversion.

Apakah arti temperatur negatif? Tidakkah bertentangan dengan hukum Thermodinamika?? &&&&&&&&FEB017&&&&&&&&&&&&&