第三章 : 统计热力学基础

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第三章 : 统计热力学基础. 目 录. 第一节 : 概论 第二节 : 玻兹曼统计 第三节 : 玻色 - 爱因斯坦统计和费米狄拉克统计 第四节 : 配分函数 第五节 : 各配分函数的求法及其对热力学函数的贡献 第六节 : 晶体的热容问题 第七节 : 分子的全配分函数. 第一节 : 概 论. 一 : 统计热力学的研究方法和目. 二 : 统计热力学的分类. 非定位体系 ( 如气体 ). 统计单位 ( 粒子 ) 是否可以区分. 定位体系 ( 如晶体 ). ( 近 ) 独立粒子体系 ( 如理想气体 ) 非独立粒子体系 ( 如实际气体 ). - PowerPoint PPT Presentation

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  • .UVNi

    N1, N2, , Ni

  • (3.1) (3.2) (3.3)(3.4)(3.4),tmtm

  • N(3.5),,,: (3.5)(3.6):1., . 2.(3.6) ,.

  • . : *i =N(3.6)(3.7)(3.7)

  • :S=kN=ktm,(3.6)(3.7):S=kNi-ku (3.8)(UN),S(NUV),(3.8),S[NU(UV)]N,:(3.8):

  • :dU=TdS-PdV,1/T: =-1/kT (3.9)(3.7): (3.10)(3.9)(3.8): S=kN-i/kT+U/T(3.11)

  • F=U-TS=-NkT-i/kT : (3.11)(3.12) ,i ,F(T VN),(3.12) F.(3.12)

  • .1.,,.:

  • nx,ny,nzx,y,zgi=1nx ny nz1 1 2 1 2 12 1 1 gi=3

  • (3.13):

  • UVN(3.14)tm,

  • ,Nitm,Ni*,S,F: S=kNgi-i/kT +U/T (3.16) F=-NkTgi-i/kT (3.17) (3.15)

  • 2. (3.14)N!.(3.18),, Ni*,S,F: (3.18)N,:

  • (3.20) SF (3.19)(3.21)

  • . ,,:1.,(3.19):(3.22)

  • 2.0N0,(3.21): Ni=N0-i/kT (3.23)i=i-0i.,.,: P=P0-mgh/kT (3.24)Ph,P0(h=0),g,m,(3.23)0hT.

  • .,:(1),,.(2),,,...,(3.13):

  • ,.NiNi,tt,NiNi+Ni,tt+t, (t+t)=NN-N+(Ni+Ni)gi --(Ni+Ni)(Ni+Ni)+(Ni+Ni) (3.26)(3.26)(3.25)::

  • Ni,,N,Ni=0.,t. t=0: (1+x)=x-x2/2+x3/3-

    (3.27)

  • (3.28): :(3.28),,tm(tm+t).Ni,.

  • ,. 1%, ,, () ,? (3.28) Ni=3*1019.cm-3,Ni/Ni=0.01 : :

  • ,Ni,.tm,.,,.. U,V,N,,.t.,,P: P=/(a)

  • (a),(b)..tx,: Px=tx/,,.,.: P=1/(b)

  • . . U,V,N,1,2,,ig1,g2,,gi,:N1,N2,,Ni

  • (t1):(3.29)(3.31)(3.30): (3.30),.,:

  • (3.31)(3.32): S=k{gi(1+Ni*/gi)+ Ni*(1+gi/Ni*)} (3.33):,,.(3.32)

  • .,,,,.iNigi,giNi,,,.giNi:

  • ,::(3.34)(3.35)

  • :(3.36),: S=k{Ni*(gi/Ni*-1)-gi(1-Ni*/gi)} (3.38).(3.37)

  • ::+1,giNi, gi/Ni ,:::

  • ...

    ,,.

    e --i -1e --ie --i +1

  • Boltzmann. : 1.,gie -i/kT .(3.39)

  • 2. ,.3.,,q ,.:(3.41),q . (3.39):(3.40)(3.41)

  • .

    1.(N) HelmholzF S(3.42)

  • : (3.43)(3.20): (3.44)

    3U(3.45)

  • 4GibbsGdF=-SdT-PdV,G=F+pV,(3.46)(5)H(3.47)

  • (6)CV(3.48) 2. ,

  • F()=-kTq(3.49)(3.50)(3.51)(3.52)

  • (3.53)(3.54): ,U,H,CV, F,S,G. .

  • .(r )(v )(e )(n )

  • i(3.55)4.2*10-21,r(42-420)J/mol,v(4.2-42)kJ/mol, e, n.

  • (3.56)

  • (3.57)=qt*q():qt,qr,qV,qe,qn , ,,, .qq=gexp(-i/kT)i.

  • : ,: F()= -NkTq =-NkTqt -NkTqr -NkTqv -NkTqe -NkTqn = Ft+Fr+Fv+Fe+Fn (3.58) : F()= -kTqN/N! = -kTqtN/N! -NkTqr -NkTqv -NkTqe -NkTqn

  • :, kTN!,.= Ft+Fr+Fv+Fe+Fn (3.59)

  • ......

  • .

  • (3.60)(3.61) sn

  • ,.:1.,, (3.45)(3.47)(3.48)(),qn, .,,

  • [(3.42)(3.43)(3.44)(3.46) ],qn.:

  • . 2., , qn,, qn . .3.,.

  • e,1-e,0=400kJ/moF, Cl ,:, -j+(2j+1), (2j+1).

  • j,,:Ue=He=Cve=0 (3.62)Fe=-NkTqe (3.63)Ge=-NkTqe (3.64)Se=Nkqe (3.65)

    :,, ,qe . .

  • .1.ma*b*c(3.66)h, 1,2

  • (3.67)(3.68)

  • 0gitqt,

  • (3.69)

  • 2.1Helmholtz

    2(3.70)

  • (3.71)(Sackur-Tetrode),.,:

  • (3) U=F+TS (3.72)4(3.73)

  • 5GibbsP=-(F/V)T,NUt,Ft

  • . , ,,.1.(F): (3.21), F=-kTqN/N! =(N0n+N0e)-NkTg0ng0e-NkT(2mkT)3/2/h3 -NkTV+NkTN-NkT (3.74)

  • ..,,.

    2.: S=-(F/T)V,N =Nk[g0ng0e+(2mk/h2)3/2+V-N +(3/2)T+5/2] (3.75) , .

  • 3. U=NkT2(q/T)V,N=(3/2)NkT (3.76) 4.CV CV=(U/T)V,N=(3/2)Nk (3.77)5.: =(F/N)T,V =(0n+0e) -kTg0ng0e -kT(2kT)3/2/h3 -kTkT + kTp (V=NkT/p) (3.78)

  • ,N=L,: =L (0n+0e)-RTg0ng0e -RT(2kT)3/2/h3 -RTkT+ RTp (3.79)

    p,:

  • ,, (T),(3.78)(3.79),: = (T) + RTp/p (3.81)6.: p=-(F/V)T,N=NkT/V (3.82) .

  • .qr qr

    1 qr JIm1,m2 r

  • (3.83)

  • :r qr Ir H2 r,r /T
  • 2qr(360o (3.85)(3.86)

  • 3qr.1.vgi,v=1(3.87)

  • vv=0,v,0 (3.87)

  • Qv=hv/k,Qv,,,Qv,qv (3.88)

  • QvQv=310kv=1, Qv/T >>1exp(-Qv/T)
  • , v,0=(1/2)hv=0,2.ft, frn(3.90)

  • qv qv(3n-5) (3n-6)3.(3.91)

  • I v j

  • 1HelmholtzFr,Fv2Sr=-(Fr/T)v,NSv=-(Fv/T)v,N(3.92)(3.93)(3.94)(3.95)

  • 3Ur,Uv4CV,r,CV,v(3.96)(3.97)

  • (3.99)

  • H G .(3.100)

  • 298.15 K1 molO2(g)Vgn,o=3,n,o=0,O2r=1.207*10-10mqnqv

  • O2qe,qrqt

  • khO2=2,

  • Sm,tSackur-TetrodeNk=R,

  • .,(1/2)kT,(1/2)kT.,:=3* [(1/2)kT+ (1/2)kT]=3kT,U=L*3kT=3RT,:Cv,m=-(U/T)v=3R=24.94J/(k*mol)(3.101)

  • .:1..2..3.. 3.,N,3N. :qv=giv e-(v+)h/kT

  • 3N,:=(3/2)Nh+3NkT(1-e -h/kT)3N(3.102)(3.103)

  • U=F+TS =(3/2)Nh+3Nh:S,F,Uv,,,,.:, Cv,(3.104)(3.105)

  • (3.105),h/kT=v/T =X,N=L,:(3.106)XX/(ex-1)1/(ex-1)2.:(1) : X=v/T 0,ex1+x,Cv,m3R(1+v/T)3R

  • (2) 0k: v>>T ,X(3),,:(3.107)

  • :Cv,m=233.702R(T/D) =*TD,D=hm/k, m. (3.108)(3.109)(3.110)

  • q=giexp(-i/kT)= qnqeqtqrqv(3.111)

  • 1.q=*2.q=**(3.112)(3.113)

  • 3.q=** 4.(3.114)

  • ,,,..F=-kTqNF=-kT()()(3.115)