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Partition function for ideal gas

Quantum Particle in a Box - Notes

Quantum Particle in a 3D Box

Consider a gas molecule in thermal equilibrium at temperature T. At any instant, the velocity components along x, y, and z directions are: vx, vy, vz.

Kinetic Energy Components

Energy along x-direction:

Ex = (1/2) m vx2 = px2 / (2m)

Where px is the momentum component along x-direction.

Quantum Condition

According to quantum mechanics, a moving particle behaves like a wave. For a particle confined in a box of length Lx:

px(2Lx) = nx h

Where:

  • h = Planck's constant
  • nx = positive integer
  • ħ = h / (2π)
px = ħπ (nx / Lx)

Energy in Each Direction

Ex = (ħ²π² / 2m) (nx / Lx
Ey = (ħ²π² / 2m) (ny / Ly
Ez = (ħ²π² / 2m) (nz / Lz

Total Energy

Ei = Ex + Ey + Ez
Ei = (ħ²π² / 2m) [ (nx² / Lx²) + (ny² / Ly²) + (nz² / Lz²) ]

Here, Ei represents the energy of the i-th state defined by quantum numbers nx, ny, nz.

Partition Function

Z = Σ e-βEi
Z = Σ Σ Σ exp[-β (ħ²π² / 2m) ( nx² / Lx² + ny² / Ly² + nz² / Lz² )]

Separated Form

Z = (Σ e-β (ħ²π² / 2m)(nx² / Lx²)) × (Σ e-β (ħ²π² / 2m)(ny² / Ly²)) × (Σ e-β (ħ²π² / 2m)(nz² / Lz²))

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