統(tǒng)計熱力學基礎課件

第三章統(tǒng)計熱力學基礎一、統(tǒng)計體系的分類

按統(tǒng)計單位（粒子）是否可以分辨，可分為：

定位體系：粒子可以分辨，如晶體；非定位體系：粒子不可分辨，如氣體。

按統(tǒng)計單位（粒子）之間是否有作用力，可分為：

獨立子體系：如理想氣體；非獨立子體系：如實際氣體、液體等。

1謝謝您的觀賞2019-9-2二、微觀狀態(tài)和宏觀狀態(tài)

體系的宏觀狀態(tài)由其宏觀性質(zhì)(

T、P、V等)

來描述；體系的微觀狀態(tài)是指體系在某一瞬間的狀態(tài)；在經(jīng)典力學中體系的微觀狀態(tài)用相空間來描述；在量子力學中體系的微觀狀態(tài)用波函數(shù)來描述；相應于某一宏觀狀態(tài)的微觀狀態(tài)數(shù)（）是個很大的數(shù)，若知體系的值，則由玻爾茲曼公式：可計算體系的熵。2謝謝您的觀賞2019-9-2三、分布（構(gòu)型、布居）

一種分布:指

N

個粒子在許可能級上的一種分配；每一種分布的微觀狀態(tài)數(shù)（ti）可用下列公式計算：

定位體系：

非定位體系：3謝謝您的觀賞2019-9-2四、最概然分布

微觀狀態(tài)數(shù)（ti）最多的分布稱最概然分布；可以證明：當粒子數(shù)

N

很大時，最概然分布的微觀狀態(tài)數(shù)（tmax）幾乎等于體系總的微觀狀態(tài)數(shù)（

）。4謝謝您的觀賞2019-9-2五、熱力學概率和數(shù)學概率

熱力學概率：體系的微觀狀態(tài)數(shù)（）又稱熱力學概率，它可以是一個很大的數(shù)；數(shù)學概率：數(shù)學概率(

P

)的原始定義是以事件發(fā)生的等可能性為基礎的。某種分布出現(xiàn)的數(shù)學概率為：且有：0

P

15謝謝您的觀賞2019-9-2六、統(tǒng)計熱力學的基本假定在

U、V、N

一定的體系中，每一種微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率相等（等概率原理）。體系的宏觀量是相應微觀量的統(tǒng)計平均值，如用ā

表示某一宏觀量，則Pi是體系第

i

個微態(tài)出現(xiàn)的概率；Ai是相應物理量在第i個微態(tài)中的取值。6謝謝您的觀賞2019-9-2七、玻爾茲曼分布玻爾茲曼分布是自然界最重要的規(guī)律之一，其數(shù)學表達為：玻爾茲曼分布是微觀狀態(tài)數(shù)最多（由求

ti極大值得到）的一種分布；根據(jù)等概率原理，玻爾茲曼分布為最概然分布；（定位或非定位）7謝謝您的觀賞2019-9-2通過摘取最大相原理可證明：在粒子數(shù)

N

很大（N

1024）時，玻爾茲曼分布的微觀狀態(tài)數(shù)

(tmax)幾乎可以代表體系的全部微觀狀態(tài)數(shù)()；故玻爾茲曼分布即為宏觀平衡分布。在A、B兩個能級上粒子數(shù)之比：8謝謝您的觀賞2019-9-2玻色-愛因斯坦統(tǒng)計*；（如空腔輻射的頻率分布）費米-狄拉克統(tǒng)計*（金屬半導體中的電子分布）

由gi

>>Ni

e

i

1>>1e

i

1e

i

當溫度不太高或壓力不太高時，上述條件容易滿足。

此時玻色-愛因斯坦及費米-狄拉克統(tǒng)計可還原為玻爾茲曼統(tǒng)計。9謝謝您的觀賞2019-9-2八、分子配分函數(shù)

q的定義

i為能級

i

的能量；gi

為能級

i

的簡并度

i量子態(tài)

i

的能量10謝謝您的觀賞2019-9-2

配分函數(shù)

q

是無量綱量，是對體系中一個粒子的所有可能狀態(tài)的玻爾茲曼因子求和。由于是獨立粒子體系，任何粒子不受其它粒子存在的影響，所以

q

這個量是屬于一個粒子的，與其余粒子無關，故稱之為粒子的配分函數(shù)。11謝謝您的觀賞2019-9-2九、分子配分函數(shù)q的表達式1.平動：當所有的平動能級幾乎都可被分子達到時：一維：二維：三維：12謝謝您的觀賞2019-9-22.振動：

雙原子分子線型多原子非線多原子型13謝謝您的觀賞2019-9-23.轉(zhuǎn)動：

線型非線型對稱數(shù)：同核雙原子為2；異核雙原子為1。14謝謝您的觀賞2019-9-24.電子（基態(tài)）運動：（j為量子數(shù)）5.原子核（基態(tài)）運動：（Sn

為核自旋量子數(shù)）15謝謝您的觀賞2019-9-2十、能級能量計算公式：平動：振動：轉(zhuǎn)動：16謝謝您的觀賞2019-9-2十一、配分函數(shù)q的分離：

q=qnqeqtq

v

q

r這是配分函數(shù)的重要性質(zhì)。十二、利用配分函數(shù)

q

直接計算體系的宏觀性質(zhì)

熱力學函數(shù)表達式：17謝謝您的觀賞2019-9-218謝謝您的觀賞2019-9-219謝謝您的觀賞2019-9-2從這些公式可以看出，由熱力學第一定律引出的函數(shù)

U、H、Cv在定位和非定位體系中表達式一致；而由熱力學第二定律引出的函數(shù)

S、F、G在定位和非定位體系中表達式不一致，但兩者僅相差一些常數(shù)項。20謝謝您的觀賞2019-9-2例1：雙原子分子Cl2的振動特征溫度v=803.1K，用統(tǒng)計熱力學方法求算1mol氯氣在50℃時的CV,m

值。（電子處在基態(tài)）21謝謝您的觀賞2019-9-2[答]

q=qt.qr.qv

U=RT2(lnq/T)V

(lnq/T)V=(lnqt/T)V+(lnqr/T)V+(lnqv/T)V

=[(3/2T)+(1/T)+(1/2)h/(kT2)+h/(kT2)]/[exp(h/kT)-1]所以

U=(5/2)RT+(1/2)Lh+Lh/[exp(h/kT)-1]

CV=(U/T)V=25.88J·K-1·mol-1

22謝謝您的觀賞2019-9-2

例2.O2的v=2239K,I2的v=307K，問什么溫度時兩者有相同的熱容?(不考慮電子的貢獻)[答]若平動和轉(zhuǎn)動能經(jīng)典處理，不考慮O2的電子激發(fā)態(tài),這樣兩者CV的不同只是振動引起，選振動基態(tài)為能量零點時，

UV,m=Lh/[exp(r/T)-1]

CV,m(ｖ)=(UV,m/T)V,N=R(v/T)2exp(v/T)/[exp(v/T)-1]