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MECÁNICA ESTADÍSTICA
Trabajo Práctico Nº 3: Conjuntos Canónicos Generalizados
1. Utilizando la expresión de dF de la tabla (III.1.1) y los resultados para un gas
ideal monoatómico del capítulo II, demostrar que el potencial químico de tal
gas, despreciando grados de libertad internos, es:
=o(T) + kBT lnp
donde o(T) = - kBT ln(2m kBT/h2)3/2 kBT 
2.
a. El teorema de Euler para funciones homogéneas de orden n, es decir
aquellas que cumplen con
f (x1,x2,....,xN)= n f (x1, x2,......, xN ) (1)
expresa que:
n f (x1, x2,......, xN ) = x1 (f/x1)+ x2 (f/x2) + ····· + xN (f/xN) (2)
Diferenciando(1) respecto de  y poniendo =1demostrar la validez de (2)
b. Discutir si el potencial termodinámico es una función homogénea del
volumen V y de que orden.
c. Utilizando la expresión de p = -(/V)T, de la tabla(III.1.1) y los
resultados de a) y b), demostrar que:
pV = - = kBT ln 
(3)
3. Para un modelo de adsorción en superficies, en el que cada sitio puede tener un
número de ocupación 0,1y 2 con energías 0,1 y 2, considere el número medio
de moléculas adsorbidas por sitio <n> en el límite de T 0 para todas las
combinaciones de signos y magnitudes relativas de (1 + o) y (2 + o), siendo
o el potencial químico del gas a T = 0. Explique los resultados heurísticamente.
4. En el modelo de adsorción del problema 3 suponga además que dos moléculas
adsorbidas sobre un mismo sitio interactúan a través de un modo vibracional de
frecuencia . Es decir, la energía para un sitio vacío es 0, la de un sitio con una
molécula adsorbida es 1 y la de un sitio con dos moléculas adsorbidas es
2 + n`ħ (n`= 0,1,2.......) Calcular:
a.
b.
c.
d.
e.
La gran función de partición.
El potencial .
El número medio de ocupación <n>, obtenido directamente de a)
El número medio de ocupación <n>, obtenido directamente de b)
La probabilidad de que el sistema esté en un estado n`= 2, n`= 3.
5. Un sistema consiste en N sitios y N electrones. En un sitio determinado hay sólo
un orbital accesible, pero puede estar ocupado por 0,1,ó 2 electrones. La energía
del sitio es cero si está vacío o bien si sólo hay un electrón. Si hay dos, la
energía es .Adicionalmente hay un campo magnético que actúa solo sobre los
spines de los electrones.
a. Calcule el potencial químico en función de la temperatura y del campo
magnético aplicado.
b. Encuentre la capacidad calorífica del sistema.
c. Determine la susceptibilidad magnética para campos pequeños.
6.
a. Estudie las fluctuaciones en el número de partículas en el formalismo
gran canónico, suponiendo que las partículas son independientes de tal
forma que la distribución de probabilidad del número de partículas pueda
ser aproximada por una distribución de Poisson. Muestre que:
( N) 2  N 
;
N = N- N 
b. Muestre que se puede escribir también:
( N) 2 = (  N / ) , V
c. De los resultados anteriores, muestre que para un gas de partículas no
interactivas se tiene:
(/  ) = -1 ;
( = densidad)
d. Finalmente muestre que un gas de partículas no interactuantes verifica la
ecuación de los gases ideales.
7. Considere un gas ideal en un volumen de base A y altura z, de moléculas de
masa m en el campo gravitatorio, suponiendo que T no varía con la altura,
obtener la expresión de la presión en función de la altura:
p(z) = p(0) e-mg z
conocida como "ecuación barométrica".
8.
Considerar el problema de la banda polimérica del capítulo I desde el punto de
vista del conjunto canónico de Gibbs ( notar en el peso aplicado juega el papel
de un “ reservorio de tensión”). Obtener las ecuaciones fundamentales que
describen el comportamiento del sistema.