Внутренняя энергия и теплоемкость кристалла. Закон Дебая

С учетом (4.12) внутренняя энергия кристаллического твердого тела равна

, (4.13)

где – энергия нулевых колебаний атомов в кристалле.

Возьмем один моль вещества, тогда N = N_A , и производная от U по T даст молярную теплоемкость кристалла:

. (4.14)

Величину θ, определяемую условием , называют характеристической температурой Дебая. По определению

. (4.15)

Температура Дебая указывает для каждого вещества ту область, где становится существенным квантование энергии колебаний.

Введем также переменную . Тогда выражение для теплоемкости примет вид:

, (4.16)

где .

Запишем также в этих обозначениях выражение для внутренней энергии кристалла

. (4.17)

В общем случае вычисление интегралов в выражениях (4.16) и (4.17) представляет большую трудность, однако, существуют два предельных случая, где вычисление их возможно.

1) При Т << θ верхний предел интеграла в (4.17) будет очень большим, так что его можно приближенно положить равным бесконечности ( x_max ≈ ∞ ). Тогда этот интеграл будет представлять собой некоторое число, а именно

.

Внутренняя энергия U в этом случае будет равна:

,

а молярная теплоемкость окажется пропорциональной кубу температуры:

. (4.18)

Эта приближенная зависимость известна как закон Дебая. При достаточно низких температурах этот закон выполняется во многих случаях очень хорошо.

2) При T >> θ , т.е. при , формулу (4.13) можно упростить, положив

.

Тогда для внутренней энергии получается выражение:

,

а для молярной теплоемкости значение

, (4.19)

фигурирующее в законе Дюлонга и Пти.

Рассмотренные случаи согласуются с графиком зависимости теплоемкости кристалла от температуры, показанным на рис. 4.1.

Формула Дебая (4.18) хорошо передает ход теплоемкости с температурой для тел с простыми кристаллическими решетками, т.е. для химических элементов и некоторых простых соединений.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, т. 2, 1989.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. – М.: Наука, т. 2, 1990.

3. Матвеев А.Н. Курс общей физики. - М.: Высшая школа, т. 2, 1976-1989.

4. Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнев В.А., Серов Е.А. Физика твердого тела. - М., Высшая школа, 2001.