统计热力学
从系综到涨落:看清配分函数如何生成一切宏观量,掌握各极限的适用边界
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统计热力学
从系综到涨落:看清配分函数如何生成一切宏观量,掌握各极限的适用边界
概述
你量一杯热水的温度,看到的是宏观读数;杯底却藏着 10²³ 个水分子在乱撞。统计热力学做的事很明确——从「每个分子在干什么」算出「整杯水表现得怎么样」。
单颗弹珠轨迹难预测(微观),但盒子整体动能稳定可测(宏观)
Boltzmann 统计
上页我们建立了统计热力学的总体框架:从能级分布反推宏观量。今天聚焦其中最经典的一支——Boltzmann 统计,它处理的是「彼此可区分、不发生量子关联」的粒子体系。
球1入A、球2入B 与 球2入A、球1入B 算两个不同排列;编号是经典统计的隐藏前提
撷取最大项
上一页我们写出配分函数 Z=Σe^{-E_i/kT},这串指数加起来是多少?逐项硬算太难——'撷取最大项'告诉你:只需找出最大那项,整个求和就被它压倒性地代表了。
最深处那块的沙比前面所有加起来还多;总和≈最多那一项
最概然分布
上页我们把 ∑W 中的最大项 W_max 单独提出来,发现 N 足够大时它压倒性主导求和。那么哪个 {n_i} 才让 W 取到最大?这就是最概然分布。
总额、人数固定时中间型分配的组合方式最多——极端集中在一人反而不容易出现
a, b值的推导
上一页求最概然分布时,受限于『粒子总数 N 不变』和『总能量 E 不变』两个条件,我们引入了两个待定参数 a、b。它们究竟是什么?这一页来揭开。
乘子就是『预算的影子价格』:多一块钱/一度电,收益能涨多少
Boltzmann 公式的讨论
上一步我们用撷取最大项法求出了最概然分布,得到了 a、b 两个参数。现在退一步看——回到那条刻在玻尔兹曼墓碑上的公式 S = k ln Ω,讨论它的完整含义与适用边界。
藏书越多、越难锁定想读的那本 = 微观态越多、不确定性越大;熵是藏书量的对数,把天文数字压成可读刻度
配分函数
上一页得到最概然分布 P_i = a·exp(-bE_i),其中 a 是归一化常数。这一页给 a 一个正式名字——配分函数 Z,并看它如何撑起整座热力学大厦。
a = 1/Z;前页那个神秘的归一化常数,正是所有微观态的加权求和
配分函数的分离
上一页我们用配分函数 Q 对所有量子态求和。分子内同时有平动、转动、振动、电子等自由度——它们能拆开算吗?答案是:只要各自由度能量彼此独立、可加,Q 就能像积木一样按因子拆开。
独立事件的联合概率 = 各事件概率之积;能量独立时配分函数也按因子相乘
原子核配分函数
前页把配分函数拆成平动、转动、振动、电子四块。其实还有最后一块——来自原子核自旋简并的因子 q_nuc。它虽是个不随温度变化的常数乘子,却在几处关键场景里悄悄决定结果。
D6 永远是 6 面,与掷多少次无关;(2I+1) 也不依赖 T,每个自旋态等概率被占据
电子配分函数
配分函数能拆成五个独立模块的乘积,上一节原子核配分函数近乎常数。这一节换到电子自由度——它看似更简单,却藏着高温物理的温度计。
平时几乎全在底层(基态),温度飙升时高层才有人入住(激发态)
平动配分函数
前面把分子配分函数拆成几个独立部分,电子、核已经讲完——它们大多待在基态。现在看平动:粒子在容器里自由运动,是最简单的一种自由度,也是配分函数里最容易精确算出的一块。
Λ³ 是粒子的「量子占地」,V/Λ³ 衡量盒子里能容纳多少个这样的量子单元
单原子理想气体热力学函数
上一页得到了平动配分函数 q_t 的精确形式。现在把它用到最简单的情形——单原子理想气体:没有转动、没有振动,q 就只剩 q_t 一项。统计力学的优势开始显现:U、S 全部从 q 算出。
乐队总谱里要写多件乐器;单原子气体的「总谱」只剩平动一件——最干净的情形
转动配分函数
上页平动配分函数只算了质心移动,但分子还会绕质心转动。转动能量也要量子化,配分函数怎么写?
陀螺不能任意快,能量只落在 J=0,1,2 的离散台阶上
振动配分函数
上页我们处理了转动——把分子当作刚性转子。现在沿化学键方向看原子来回振动,这一步必须用量子力学处理。
琴弦只能发出离散音高,对应量子化能级
分子的全配分函数
前面我们分别拆开了平动、转动、振动、电子、原子核各自的配分函数。现在把它们拼回去——一个分子若各运动模式彼此独立,它的全配分函数就是这些因子相乘。
弦乐、管乐、打击乐各奏各的谱,总能量贡献可叠加——对应 ln q = Σ ln q_i
本节要点
- ✓Boltzmann分布是最概然法得到的统计最优解
- ✓配分函数Q是连接微观能级与宏观热力学的桥梁
- ✓Q可分离为各独立自由度配分函数的乘积
- ✓热力学量均由lnQ对β或V的导数导出
- ✓低温、强简并等情形下Boltzmann近似需修正
课后思考
先独立想,再看参考答案。三问分别考查:核心推导、应用与边界条件。
参考答案极值法把连乘化为求和极值,用了 Stirling 公式 ln(n!)≈n ln n−n。前提是 N 足够大,使最大项的占比趋于 1。
参考答案常温 Cv≈5R/2:平动 3R/2、转动 R、振动≈0。振动冻结是因为 kT 远小于振动能级间距,激发概率可忽略。
参考答案意味着几乎无分子进入振动激发态。边界在 kT≈hν,即温度接近振动特征温度 Θv 时近似开始失效。