====== Comparaison microcanonique-canonique, vibrateurs et cristal d'Einstein ====== Les mesures de chaleur spécifique massique de quelques solides à température et pression ambiante (25 C et 1 atm) donnent ces résultats : "Substance";"C (J g-1 K-1)" "Aluminium";"0.897 " "Antimoine";"0.210" "Cuivre";" 0.384" "Or";"0.129" "Argent";"0.231" "Plomb";"0.129" "Fer";"0.444" "KCl";"0.695" "Diamant";"0.509" * Comment ramener ces valeurs à une base de comparaison commune ? * Ces chaleurs spécifiques ont été mesurées à pression constante. Est-ce une difficulté ? * Analyser ces valeurs par rapport à la loi de Dulong et Petit (1819) * Les mesures suivent-elles systématiquement la loi, y-a-t-il une exception ? ===== Les mesures en fonction de la température pour le diamant ===== Capacité calorifique massique "T";"C (J g-1 K-1)" "215";"0,217" "264";"0,348" "273";"0.433" "280";"0,452" "306";"0,549" "335";"0,65" "363";"0,751" "412";"0,983" "471";"1,215" "516";"1,301" "874";"1,857" "1079";"1,869" "1238";"1,887" * Examiner ces valeurs ===== Modèle d'Einstein ===== * Quelles sont les hypothèses ? ==== Résolution utilisant les relations de l'ensemble microcanonique ==== * Quelles sont les variables ? * Quelle est la "somme d'état" et sa relation avec une grandeur thermodynamique ? * Quelles sont les hypothèses utilisées ? * Disposez-vous d'une autre relation thermodynamique ? * Comment calculer en pratique la somme d'état pour des vibrateurs (modèle microscopique) ? * Comment en déduire des grandeurs thermodynamiques (aspect macroscopique) ? * Comment obtenir la chaleur spécifique et comparer avec les mesures ? * Quel paramètre peut-on obtenir pour un matériau particulier (diamant par exemple) ? voir [[teaching:progappchim:fit_modele_einstein|ici]] * Des spectroscopistes indiquent que la fréquence de vibration fondamentale dans le diamant est 2.78 1013 Hz. Que peut-on en déduire ? * Même question pour le plomb avec la fréquence 1.9 1012 Hz ==== Résolution utilisant les relations de l'ensemble canonique ==== * Adopter la même démarche : * Quelle est la somme d'état à utiliser ? * Combien de vibrateurs doit-on prendre en considération, pourquoi ? Comment passer à un grand nombre ? * Comment l'indiscernabilité est-elle prise en compte ? * Donner des relations avec des grandeurs thermodynamiques ? * Retrouver l'expression de la chaleur spécifique de vibration * Comment obtenir la variance sur l'énergie ? ==== Comparaison ==== * Discuter de l'avantage de l'un ou l'autre des ensembles utilisés. ===== Modèle d'Einstein et gaz polyatomiques ===== * Peut-on utiliser le modèle d'Einstein ? * Calculer la contribution à la chaleur spécifique due aux vibrations pour des molécules usuelles (azote, oxygène, dioxyde de carbone, eau,...), à température ambiante, à haute température. * Justifier le nombre de vibrations à prendre en considération * Exprimer la probabilité pour qu'un vibrateur maintenu à une température égale à sa température caractéristique ait un nombre quantique de vibration égal à 2. * Dresser un tableau indiquant les probabilités pour divers rapports T/θ et nombre quantique n * Que peut-on en conclure pour les transitions observées par spectroscopie IR ? ===== Les mesures à basse température pour le diamant, le fer ===== ==== Diamant ==== "T";"K (J mol-1 K-1)";"T";"K (J mol-1 K-1)" "12,9";"0,00053";"76,1";"0,092" "16,1";"0,00081";"87";"0,147" "19,8";"0,00138";"100,4";"0,24" "24,1";"0,00257";"113,1";"0,378" "30,1";"0,00494";"126,3";"0,56" "33,4";"0,0074";"143,4";"0,88" "41,3";"0,0133";"159";"1,19" "47,7";"0,02";"176";"1,66" "57,2";"0,0365";"197";"2,21" "67";"0,0595"; ==== Fer ==== Source : Thermodynamic properties of iron and silicon. P.D. Desai, J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 15, No. 3, 1986, pp 967-983 "T";"K (J mol-1 K-1)";"T";"K (J mol-1 K-1)" "1";"0,004961";"130";"16,067" "2";"0,01004";"140";"17,120" "3";"0,01535";"150";"18,08" "4";"0,02101";"160";"18,895" "5";"0,02713";"170";"19,652" "6";"0,0335";"175";"20,011" "7";"0,0406";"180";"20,336" "8";"0,0487";"190";"20.952" "9";"0,0583";"200";"21,503" "10";"0,0698";"210";"21,981" "15";"0,138";"220";"22,423" "20";"0,256";"225";"22,640" "25";"0,456";"230";"22,847" "30";"0,743";"240";"23"245" "40";"1,552";"250";"23,612" "50";"2,804";"260";"23,962" "60";"4,496";"270";"24,282" "70";"6,534";"273,15";"24,380" "75";"7,538";"280";"24,580" "80";"8,518";"290";"24,864" "90";"10,338";"298,15";"25,084" "100";"12,067";"";"" "110";"13,555";"";"" "120";"14,879";"";"" "125";"15,482";"";"" * Que peut-on conclure en examinant ces données à basse température par rapport au modèle proposé par Einstein ? * Quel est le modèle qui permettrait de mieux modéliser les données expérimentales à toute température ? * Quelles sont les hypothèses fondamentales de cet autre modèle ? * Comparer quantitativement les données expérimentales du fer et du diamant au [[http://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_de_Debye|modèle de Debye]]. ===== Données diverses ===== * Fer * α = 3,54.10-5 K-1 (coefficient de dilatation) * V = 7,12.10-6 m3 (volume molaire) * κ = 0,59.10-11 Pa-1 (coefficient de compressibilité) * Constantes : * kB = 1.38064852(79)E-23 # Constante de Boltzmann (en J K-1) * NA = 6.022140857(74)E23 # Nombre d'Avogadro (en mol-1) * c = 299792458. # Vitesse de la lumière (valeur exacte) * h = 6.626070040(81)E-34 # Constante de Planck (en J.s) * R = kB * NA = 8.3144599 en J mol-1 K-1) * Modes de vibration du CO2 (en cm-1) : * 641.49 * 1373.01 * 2438. * Modes de vibration de H2O (en cm-1) : * 1711.15 * 3730.03 * 3851.06 * Mode de vibration de N2: 2744 cm-1 * Mode de vibration de O2: 2061 cm-1 * Mode de vibration de CO: 2170 cm-1 ===== Solutions ===== * [[cv_vibration_einstein-solutions|Ici !]] ===== Références ===== * [[http://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_d%27Einstein]] (+ version anglaise) * [[http://www.chem.purdue.edu/gchelp/vibs/index.html]] * [[http://www.chemtube3d.com/Organic%20Structures%20and%20Bonding.html]] * [[https://chemistry.stackexchange.com/questions/117314/why-doesnt-beryllium-an-elemental-solid-obey-dulong-and-petits-law|Why doesn't beryllium, an elemental solid, obey Dulong and Petit's law?]]