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物理 大学生・専門学校生・社会人

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B 【問5】 (第1回レポート 【問4】 の続き) 図のように, 温度 T の環境下で、 取手のつ いたピストンがある容器の下側に物質量 n の理想気体が封じ込められていて, 容器の 上側は真空になっている. 気体は容器を通して外界との熱のやりとりは自由にできる ものとし、ピストンの質量は無視できるほど小さく, 滑らかに動かせるものとする. ピ ストンの取手の上におもりをのせてあり, 気体の体積はV」 となっている. 以下の 問いに答えよ. (i) おもりAがのっている取手の上に, 追加でおもりBをのせるとピストンはさら に下降し、しばらくしたのちピストンは静止して気体の体積がV2 となった. こ の状態変化に伴うエントロピーの変化量 AS1 2 を求めよ. (ii) おもりBだけを取り除くと, しばらくしたのち気体の体積は V1に戻ってピストンは静止した. この状態変化に伴うエ ントロピーの変化量 AS2→1 を求めよ. (iii)(発展問題) (i) (ii) それぞれの過程でのエントロピー生成 7 Sgen1→2, Sgen2→1 を求め,これらの過程の可逆性を論 じよ. (iv) (発展問題) おもりAがのって熱平衡である状態1と, おもりBがのって熱平衡である状態2の間における, ヘルムホ ルツの自由エネルギーの差 AF1→2= F2 - F1 を求めよ. (v) (発展問題) 状態変化 1→2の間に, おもり AとBの位置エネルギーが気体に与えられる. これと (iv) で求めた AF1 2 との差は何を表しているのかを議論せよ. *4 ガソリンエンジンの熱力学的モデルとされるサイクルである. C→Dが可燃性混合気の圧縮, DAが燃焼, AB が膨張, B→Cが排気・吸気 に対応する. DAにおける吸熱は温度 TA の熱源から, BCにおける放熱は温度 T の熱源へ 瞬間的に行われるものとする, *5 仕事は、体積変化に伴って圧力がするものだけとする. *6 実際のガソリンエンジンでは,過程DAでのエネルギー流入は, 熱源 A からの熱流入ではなく、 ガソリン燃焼によるエネルギー流入である. Q *7 過程 A B において, 温度 T の熱源から熱Qを受けとるとき, Sgen = (SB-SA) - T

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量子力学・ハイゼンベルクの交換相互作用についての問題です。 参考書を参考に(あ)〜(え)まで解いてみたのですが、考え方はあっていますか? また、(お)以降の解説をお願いします。ブロッホの定理やフーリエ変換はどのように効いてくるのでしょうか?

III. 以下の文章のあ き の枠内に当てはまる数式や記号を答えよ。 ヘ =1として,スピン角運動量1/2をもつ三つのスピンが,互いに相互作用している系を考え る。スピン演算子を$, S,, $, とすると,系のハミルトニアンは次のように与えられる。 自=-J(S, S+ S,. S。+ $。. S.), J>0. ここでも番目(;= 1,2,3) のスピンのz,9, z 方向成分をそれぞれ好,S, S とする。スピン演算 子の間には (S, SY] = iS}, [SF, SY] = 0などの交換関係が成り立つ、自) = E\d) を満たす。 固有エネルギーEとエネルギー固有状態|)を求めたい。 全スピン角運動量 Shot = $, + $2+S。を使うとハミルトニアンは次のように書き直すことが できる。 自= - + JC, 定数C= あ 'tot このことから基底状態のエネルギー固有値は 時の固有値は S= +1/2, -1/2 のニつであり,これらに相当する1スピン状態をそれぞれ↑。 ↓と記すと,3スピン状態は,|S{ S S3) = |M1),| t)などのように表すことができる。独 立な3スピン状態は全部で 具体的にエネルギー固有状態をあらわしてみよう。 まず基底状態のうちで Sto = St+ Sz + Sg が最大の状態は |S S; Sg) ちに書き下すことができる。 つぎにエネルギー固有状態のうちで Sie = 1/2 のものを求めたい,ハミルトニアンと交換可 能な演算子はハミルトニアンと同時固有状態をもつことを利用する.このような演算子の一つ にスピンをRIS; S; S) = |S; S; S;)のように巡回置換する演算子良がある。-iとなるこ とと,周期系におけるブロッホの定理やフーリエ変換を思い出すと,Rと St。と自の同時固有 状態は適切な定数A(複素数も含む)を用いて い である。 う 種類あり,規格直交基底をなす。にれらの線形結合の形で え のように直 三 る(「4)+A|)+ ^°| +t) V3 と表せることが分かる。Aの取り得る値をすべて列挙すると 底状態となるのは A- か 以上の結果からすでに二つ基底状態が得られた。残りの基底状態を列挙すると, お となる.このうちで,基 の場合である。 き と なる。

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[軸 [1・芋選択者用問題】(配京 33点) ゞざのシと ンダーと浴らかに動くピストンによって, 1 モルの単原子分子理想 気体(以下, 気体とよぶ)を閉じ込めておく。シリンダーの中にはヒーターHがあり, 遠隔操作できるようになっている。シリンダーとビストンは断熱材でつく ちれており, た, シリンダーの厚さおよびヒーター 耳の体積 重き, 熱容量は無視する。大気圧 を 記、重力加速度の大きるを の, 気体定数を 尽 として, 以下の〔I), 【) の問に答え よ。 シリンター 図1 【1) 茹1のように, シリンダーの底面を水平を床上に置き、シリングーとビストンを 鉛直に立てたとき、ビストンの上面と水平な天井との距離は たであり9, ビストン の下面とシリンダーの識面との距離も / であった。このとき, 気体の圧力は2肪 絶対温度は 7。 であった。この状趣を状態1 とよぶ。 関1 ビストンの質量を Sg を用いて求めよ。 -問4 2を R、S, た。尺を用いて求めよ。 ヒーター耳をしばらくの間作動きせたところ, ビストンはゆってりと上昇し、ビ ストンの上面が天井た挟する直前で止まった。との状態を状態2 とよぶ。 間3 状態2における気体の圧力 肪 を 肪を用いて求めよ。また, 状態2における気 体の絶対温度 7? を 7。 を用いて求めよ。 間4 状下1から状態2への変化において, 気体の内部エネルギーの変化 4 とと ーター HHから生した熱量 の,。 をそれぞれ 双。 76 を用ぃて求めよ。 さらにヒーター是をしばらくの間作動きさせ @, と同じだけの熱量を気体に加え た。 その壮果, 気体の状態は状態 3 となった。 問$ 状態3における気体の絶対温度 7。 を 76 を用いて求めよ。また, 状態3 ける気体の圧力 用 を 用 を用いて求めよ。 5 (TI) 図2のように, シリンダーを液体の中に鉛直に入れたとこ から測った溢面の高きがんとなり, ビストンの上面と天寿と た。 このとき, 気体の状表は状態 1 と同じであっ

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