统计热力学

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配分函数系综理论热力学极限涨落与关联

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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配分函数系综理论热力学极限涨落与关联

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

1第 1 页 · 统计热力学

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」。

微-宏桥梁
温度、压强、熵等宏观量,本质是海量微观状态按玻尔兹曼权重的统计平均
配分函数 Z
Z=Σe^(-βEᵢ),把所有微观状态按能量加权求和,热力学量都从中导出
三类系综
微正则、正则、巨正则——按体系与外界交换能量、粒子划分
典型应用
理想气体方程、相变临界、黑体辐射谱、固体热容
摇晃弹珠盒对应 →微观求宏观量

单颗弹珠轨迹难预测(微观),但盒子整体动能稳定可测(宏观)

$$Z = \sum_i e^{-\beta E_i}, \quad S = k_B \ln Z + \frac{\langle E \rangle}{T}$$
2第 2 页 · 概述

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。

可区分性前提
粒子可被编号,交换两个粒子产生新微观态
M-B 分布
占据数与能级简并度及玻尔兹曼因子成正比
配分函数 Z
对所有能级 gᵢe^(-εᵢ/kT) 求和,是连接微观与宏观的桥梁
经典极限条件
相空间胞 ≫ h³,即高温低密时量子效应可忽略
通向量子统计
粒子全同 + 受泡利不相容 → 费米-狄拉克;全同 + 无此限 → 玻色-爱因斯坦
有编号的彩球入不同格子对应 →Boltzmann 可区分粒子

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

ni=Ngieεi/kTZ,Z=igieεi/kTn_i = N \frac{g_i e^{-\varepsilon_i/kT}}{Z},\quad Z = \sum_i g_i e^{-\varepsilon_i/kT}
3第 3 页 · Boltzmann 统计

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。

核心思想
从一堆正数项里挑最大那项代替整个求和,前提是它真的'压倒一切'
指数级尖锐
相邻项比值趋于 e^{-cN},N→∞ 时峰周围项可忽略
典型应用
微正则→正则:Ω₁(E)Ω₂(E₀−E) 有唯一峰,对应两子系温度相等
峰宽量级
涨落 ΔE/E ~ 1/√N,宏观系统下相对涨落几乎为零
数学对应
即 Laplace 方法在离散情形的版本,连续极限即鞍点近似
沙地,每深入1米沙粒翻倍对应 →指数级增长的求和项

最深处那块的沙比前面所有加起来还多;总和≈最多那一项

neNϕ(n)eNϕ(n)2πNϕ(n)\sum_n e^{N\phi(n)} \approx e^{N\phi(n^*)}\sqrt{\frac{2\pi}{N|\phi''(n^*)|}}
4第 4 页 · 撷取最大项

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。

定义
在 ∑n_i=N、∑n_iε_i=U 约束下,使热力学概率 W 取极大的分布 {n_i*}
求解方法
对 ln W 用 Stirling 近似后,配 Lagrange 乘子 α、β 处理两个约束
结论形式
n_i*=g_i·exp(-α-βε_i),α 由归一确定,β=1/(k_BT) 由能量约束确定
物理意义
宏观平衡态即最概然分布;相对涨落 ~1/√N,宏观尺度可忽略
红包分配结果对应 →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

ni=gieαβεi,β=1kBTn_i^* = g_i\,e^{-\alpha-\beta\varepsilon_i},\quad \beta=\frac{1}{k_BT}
5第 5 页 · 最概然分布

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。

本质是拉格朗日乘子
约束极值问题中让『满足约束 + 取极值』同时成立的待定参数
a 来自粒子数约束
约束 Σn_i = N 引入,与化学势 μ/kT 直接挂钩
b 来自能量约束
约束 Σε_i n_i = E 引入,解出来正好等于 1/(kT)
影子价格的含义
a、b 衡量每放松一单位约束,分布数 n_i 能变化多少
有限预算换最大产出对应 →a、b 拉格朗日乘子

乘子就是『预算的影子价格』:多一块钱/一度电,收益能涨多少

lnWni=a+bεini=gieabεi\frac{\partial \ln W}{\partial n_i} = a + b\varepsilon_i \Rightarrow n_i = g_i e^{-a - b\varepsilon_i}
6第 6 页 · a, b值的推导

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。

公式本体
熵 S 与微观状态数 Ω 的对数成正比,比例系数为 k_B
玻尔兹曼常数
k_B ≈ 1.38×10⁻²³ J/K,把微观计数缝到宏观 SI 单位的桥
适用边界
孤立系统 + 平衡态;Ω 是该宏观态下全部可达微观态数
与推导的衔接
大 N 下 ln Ω_max ≈ ln Ω_total,公式正是最大项的等价形式
物理地位
统计力学基石,把热二律接回微观图像,刻在维也纳玻尔兹曼墓碑上
图书馆的藏书量对应 →系统的微观状态数 Ω

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

S=kBlnΩS = k_B \ln \Omega
7第 7 页 · Boltzmann 公式的讨论

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。

定义:对微观态求和
Z ≡ Σᵢ exp(-Eᵢ/kT),遍历系统所有可达微观态 i,Eᵢ 为该态能量
引入简并度
能量 Eⱼ 的简并度为 gⱼ 时,Z = Σⱼ gⱼ exp(-Eⱼ/kT)
热力学母函数
U = -∂lnZ/∂β,F = -kT lnZ,S = k(lnZ + βU)
Z 不是概率
Z 是归一化常数;Z 中单项 exp(-Eᵢ/kT) 才是相对概率权重,自身通常远超 1
系综不同则 Z 不同
正则 Z(N,V,T),巨正则 Ξ(μ,V,T);微正则没有'配分函数',用 Ω(E) 承担同样角色
玻尔兹曼分布的 a对应 →配分函数 Z

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

Z=ieβEi=jgjeβEjZ = \sum_i e^{-\beta E_i} = \sum_j g_j e^{-\beta E_j}
8第 8 页 · 配分函数

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。

可分条件
总能量可写成各自由度能量之和 E = Σεᵢ,且各 εᵢ 之间无耦合
乘积形式
Q = Q_trans · Q_rot · Q_vib · Q_el · Q_nuc,每因子只算一种运动
数学根源
exp 之积可拆入求和号:Σᵢⱼ aᵢbⱼ = (Σᵢaᵢ)(Σⱼbⱼ)
热力学量分解
ln Q 可加 → U、Cv、S 等广延量自然成为各自由度贡献之和
适用边界
经典极限、无耦合近似下成立;耦合强须重新对角化;同种全同粒子须除 N!
硬币与骰子同时投的联合概率对应 →多自由度的联合配分函数

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

Qmol=QtQrQvQeQn    E=εt+εr+εv+εe+εnQ_{mol} = Q_t Q_r Q_v Q_e Q_n \;\Leftarrow\; E = \varepsilon_t + \varepsilon_r + \varepsilon_v + \varepsilon_e + \varepsilon_n
9第 9 页 · 配分函数的分离

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。

起源与形式
每核自旋 I 给出 (2I+1) 简并度;多核系统 q_nuc = ∏ᵢ(2Iᵢ+1)
常数乘子
与 T、V、N 无关,仅为配分函数前的固定乘数
为何常被略去
对 T 求导为零,U、Cv 中自动消失;仅留熵中常数项
不可忽略的场景
同位素混合、核自旋统计耦合(正仲 H₂)、低温残余熵
骰子面数对应 →核自旋 (2I+1) 简并

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

q=qtqrqvqeqnuc,qnuc=i(2Ii+1)q = q_t\,q_r\,q_v\,q_e\,q_{nuc}, \quad q_{nuc}=\prod_i (2I_i+1)
10第 10 页 · 原子核配分函数

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。

配分函数定义
对各电子能级求和:q_e = Σ_j g_j exp(-ε_j/kT)
基态主导
常温下激发态指数项可忽略,q_e ≈ g_0(基态简并度)
能量零点
取基态能量为 0,指数因子从 1 起算
高温展开
火焰/恒星等高温下逐项累加激发态贡献
独立因子
电子运动与其他自由度近似独立,可分离相乘
楼层入住率对应 →电子激发态布居

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)

qe=jgjeεj/kBTg0q_e = \sum_j g_j e^{-\varepsilon_j/k_BT} \approx g_0
11第 11 页 · 电子配分函数

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。

定义
单粒子平动自由度对配分函数的贡献,记作 q_trans
热波长 Λ
Λ = h/√(2πmkT),粒子在该温度下的量子长度尺度
单粒子结果
三维方箱中 q_trans = V/Λ³,温度越高、粒子越轻,Λ 越小
N 个粒子
不可区分时 Q_trans = q_trans^N / N!,N! 来自全同粒子修正
典型应用
代入后可推出理想气体的状态方程、内能、熵等热力学量
盒子装小球对应 →热波长与 q_trans

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

qtrans=V(2πmkTh2)3/2,Qtrans=qtransNN!q_{trans} = V\left(\frac{2\pi m k T}{h^2}\right)^{3/2}, \quad Q_{trans} = \frac{q_{trans}^N}{N!}
12第 12 页 · 平动配分函数

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。

配分函数只剩平动
单原子分子没有转动和振动自由度,q = q_t
由 q 求热力学量
U、F、S 等都是 ln q 的函数,配分函数是热力学的根
内能与热容结果
U = (3/2)NkT,Cv = (3/2)Nk,由统计力学自动给出
平动熵公式
Sackur-Tetrode 方程:含 ln V、ln T、ln m 的精确表达式
只有一把小提琴的乐队对应 →单原子气体的配分函数

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

U=NkT2(lnqT)V,    F=kTlnqU = NkT^2\left(\frac{\partial \ln q}{\partial T}\right)_V,\;\; F = -kT\ln q
13第 13 页 · 单原子理想气体热力学函数

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?

定义
对各转动能级 Boltzmann 权重求和
能级公式
E_J = J(J+1)hcB,简并度 2J+1
特征温度
Θ_r = hcB/k,多在 1~100 K 量级
高温极限
T≫Θ_r 时 q_rot ≈ T/(σΘ_r)
陀螺越转越快的台阶对应 →转动量子化能级

陀螺不能任意快,能量只落在 J=0,1,2 的离散台阶上

qrot=J=0(2J+1)eJ(J+1)Θr/Tq_{rot}=\sum_{J=0}^{\infty}(2J+1)e^{-J(J+1)\Theta_r/T}
14第 14 页 · 转动配分函数

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。

振动自由度
分子内原子沿化学键方向的简谐振动
量子化能级
E_n=(n+1/2)hν,等间距,与转动不同
配分函数公式
q_vib = 1/(1-e^{-θ_v/T}),θ_v = hν/k
高温极限
T>>θ_v 时 q_vib ≈ T/θ_v,趋向经典
热容贡献
低温下振动冻结,是 C_v 偏离经典的原因
弹簧或琴弦的简谐振动对应 →分子内振动配分函数

琴弦只能发出离散音高,对应量子化能级

qvib=11ehν/kBT=11eθv/Tq_{vib} = \frac{1}{1 - e^{-h\nu/k_BT}} = \frac{1}{1 - e^{-\theta_v/T}}
15第 15 页 · 振动配分函数

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。

全配分函数的定义
q = q_t · q_r · q_v · q_e · q_n,五项各对应一种独立运动模式
可分离性前提
要求分子总能量可写成各模式能量之和,且模式间无强耦合
对数可加性
ln q = Σ ln q_i,热力学量(内能、熵、热容)按模式贡献相加
适用边界
转动–振动耦合、强键分子、高温激发态下需修正或重算配分函数
典型应用
理想气体的 U、H、S、Cv、G、A 全部由 ln q 及其温度导数给出
交响乐团各声部对应 →分子的全配分函数

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

lnq=lnqt+lnqr+lnqv+lnqe+lnqn\ln q \,=\, \ln q_t \,+\, \ln q_r \,+\, \ln q_v \,+\, \ln q_e \,+\, \ln q_n
16第 16 页 · 分子的全配分函数

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
延伸主题:量子统计修正理想气体混合物化学平衡的统计处理
17第 17 页 · 本节要点

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。

1为什么最概然分布能用极值法导出?「最大项」近似在什么条件下才严格成立?

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。

2常温下双原子理想气体的 Cv 是多少?平动、转动、振动各贡献多少?为什么?

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。

3低温下振动配分函数近似为 1,物理上意味着什么?这个近似有失效的边界吗?

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。

18第 18 页 · 课后思考