تاريخ الفيزياء
علماء الفيزياء
الفيزياء الكلاسيكية
الميكانيك
الديناميكا الحرارية
الكهربائية والمغناطيسية
الكهربائية
المغناطيسية
الكهرومغناطيسية
علم البصريات
تاريخ علم البصريات
الضوء
مواضيع عامة في علم البصريات
الصوت
الفيزياء الحديثة
النظرية النسبية
النظرية النسبية الخاصة
النظرية النسبية العامة
مواضيع عامة في النظرية النسبية
ميكانيكا الكم
الفيزياء الذرية
الفيزياء الجزيئية
الفيزياء النووية
مواضيع عامة في الفيزياء النووية
النشاط الاشعاعي
فيزياء الحالة الصلبة
الموصلات
أشباه الموصلات
العوازل
مواضيع عامة في الفيزياء الصلبة
فيزياء الجوامد
الليزر
أنواع الليزر
بعض تطبيقات الليزر
مواضيع عامة في الليزر
علم الفلك
تاريخ وعلماء علم الفلك
الثقوب السوداء
المجموعة الشمسية
الشمس
كوكب عطارد
كوكب الزهرة
كوكب الأرض
كوكب المريخ
كوكب المشتري
كوكب زحل
كوكب أورانوس
كوكب نبتون
كوكب بلوتو
القمر
كواكب ومواضيع اخرى
مواضيع عامة في علم الفلك
النجوم
البلازما
الألكترونيات
خواص المادة
الطاقة البديلة
الطاقة الشمسية
مواضيع عامة في الطاقة البديلة
المد والجزر
فيزياء الجسيمات
الفيزياء والعلوم الأخرى
الفيزياء الكيميائية
الفيزياء الرياضية
الفيزياء الحيوية
الفيزياء العامة
مواضيع عامة في الفيزياء
تجارب فيزيائية
مصطلحات وتعاريف فيزيائية
وحدات القياس الفيزيائية
طرائف الفيزياء
مواضيع اخرى
Photon Gas
المؤلف:
Sidney B. Cahn, Gerald D. Mahan And Boris E. Nadgorny
المصدر:
A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS
الجزء والصفحة:
part 2 , p 37
3-9-2016
1294
Photon Gas
Consider a photon gas at temperature T inside a container of volume V. Derive the equation of state and compare it to that of the classical ideal gas (which has the equation PV/τ = const). Also compute the energy of the photon gas in terms of PV. You need not get all the numerical factors in this derivation.
SOLUTION
The photon gas is a Bose gas (s = 0) with zero chemical potential (μ = 0), leading to Planck’s distribution:
(1)
Replacing the sum over different modes by an integral in spherical coordinates, we may write, for the number of quantum states in a volume V,
(2)
Substituting p = hω /c into (2) and taking into account the two possible transverse polarizations of photons, we obtain
(3)
Let us calculate the Helmholtz free energy F. For a Bose gas with μ = 0, the grand thermodynamic potential Ω is given by
(4)
The free energy F would coincide with Ω (since F = Nμ + Ω = Ω). Again replacing the sum by an integral in (4) and substituting ξ = hω/τ yield
(5)
Integrating by parts gives
(6)
where
although we really do not need this, and so
with α a positive constant. The pressure P of the photon gas is
(7)
The entropy S of the gas is given by
(8)
The energy E may now be found from
(9)
Comparing (7) and (9) gives
(10)
Note that this result is the same as for an ultrarelativistic electron gas (which has the same dispersion law E = pc). The total number of photons is given by
(11)
where we let
Comparing (9)–( 10) with (11), we can write
(12)
So, similar to the classical ideal gas, we have PV/τ = const.