background image

Reinhard Kulessa

1

Wykład 12

8  Zastosowanie termodynamiki 
statystycznej

8.1 Oddziaływanie układów S i S

8.2  Układ kanoniczny
8.3  Wielki układ 
kanoniczny

8.4  Czynnik Gibbsa i wielka funkcja podziału

8.5  Stała  oraz stała k

8.6  Własności funkcji podziału

8.7  Gazy dwu- i wieloatomowe

background image

Reinhard Kulessa

2

8  Zastosowanie termodynamiki 
statystycznej

8.1 Oddziaływanie układów S i S

Parametry zewnętrzne

 

są to parametry, które 

wpływają na ruch cząstek układu, czyli na poziomy 
energetyczne układu. Oddziaływanie dwóch 
układów polega na wymianie pomiędzy nimi 
energii lub cząstek, przy czym układy mogą być 
izolowane lub nie. 

1. 

Oddziaływanie termiczne

 - 

jest to oddziaływanie 

bez zmiany parametrów zewnętrznych

 Przyrost energii odbywa 

się

 kosztem pobrania ciepła Q.

background image

Reinhard Kulessa

3

2.  

Oddziaływanie mechaniczne

 (adiabatyczne) 

Układy są izolowane. Mogą wymieniać energię pod 
warunkiem zmiany niektórych parametrów 
zewnętrznych. Przyrost średniej energii układu 
izolowanego adiabatycznie jest równy pracy 
makroskopowej wykonanej na układzie. 

3. 

Oddziaływanie ogólne

  

jest to oddziaływanie w 

którym układy nie są izolowane i w którym nie są 
stałe ich parametry zewnętrzne.

Powyższe równanie stanowi I zasadę termodynamiki

background image

Reinhard Kulessa

4

4.  

Oddziaływanie dyfuzyjne

 - 

jest to oddziaływanie 

polegające na wymianie cząstek bez wymiany 
energii

.

8.2  Układ kanoniczny

Mamy duży układ, który jest 
zbiorem  podukładów, z 

których każdy ma stałą 
objętość V i stałą liczbę 
cząstek N.

 

Całkowita 

energia układu jest stała

lecz energia pojedynczych 
podukładów może się 
zmieniać.                               
  

Mamy więc:                    

(8.1)

N,V

background image

Reinhard Kulessa

5

Powyższe równania dotyczą oddziaływania 
termicznego i rozkładu Maxwella-Bolzmanna.           
            Prawdopodobieństwo znalezienia układu w 
stanie i dane jest wzorem:

(8.2)

Równanie to nazywamy rozkładem kanonicznym 
pamiętając, że

 Z

 

jest tzw. funkcją podziału, a 

czynnik

           

nazywamy czynnikiem 

Bolzmanna

.

i

e



background image

Reinhard Kulessa

6

8.3  Wielki układ 
kanoniczny

V

Układ nasz posiada  

podukładów o objętości V, 
przy czym

Zachodzą również:

.

i

Weźmy dwa układy

 

(U

1

,N

1

), (U

2

,N

2

)

 

oddziaływujące termicznie i 
dyfuzyjnie.Równowagę uzyskamy dla najbardziej 
prawdopodobnego stanu, czyli takiego, czyli 
takiego, dla którego liczba obsadzeń osiąga 
maksimum

.

background image

Reinhard Kulessa

7

U

1

N

1

U

2

N

2

(8.3)

Prawdopodobieństwo, czyli liczba stanów musi 
osiągnąć maksimum ,

czyli musi być równa zeru różniczka 

,

Biorąc pochodną po U

1

, U

2

, N

1

, N

2

 i korzystając z 

tego, że dN

2

= - dN

1

 i dU

2

=-dU

1

, dzieląc przez  

· 

2

, otrzymujemy 

background image

Reinhard Kulessa

8

(8.4)

Równanie to stanowi warunek równowagi obydwu 
układów. Pamiętając, że

oraz odpowiednio dla układu drugiego, otrzymujemy 
zauważając, że równanie (8.4)  jest pochodną 
logarytmiczną

(8.5)

Równanie to jest spełnione wtedy, gdy zerują się 
kwadratowe nawiasy, czyli

background image

Reinhard Kulessa

9

(8.6)

oraz

.

W oparciu o poznaną wcześniej tożsamość 
Maxwella (7.10) stwierdzamy w oparciu o lewe 
równanie, że jednym z warunków równowagi jest

czyli                       
    .

W celu przedyskutowania prawego równania 
wprowadźmy pojęcie potencjału chemicznego. 
Zrobiliśmy to już przy omawianiu równowagi dwóch 
faz. (patrz r. (7.28) ) .

(8.7
)

background image

Reinhard Kulessa

10

Potencjał chemiczny określa względną zmianę 
możliwych stanów przy zmianie liczby cząstek.         
                              Mamy więc 

lu
b

(8.8)

.

Dla warunku równowagi uzyskujemy z równania (8.5)

(8.9)

.

Entropia będzie > 0 przy przekazie dN cząstek, gdy 

> 

1

.

Oznacza to również, że przepływ cząstek między 
układami w kontakcie dyfuzyjnym odbywa się 
zawsze w kierunku od większego potencjału 
chemicznego do mniejszego.                                    

background image

Reinhard Kulessa

11

Jeśli weźmiemy pod uwagę układ złożony z jednej 
fazy, to dotychczas podane funkcje termodynamiczne 
zmienią się następująco: 

(8.10)

W przypadku, gdy mamy kilka

 

()

 

składników w 

danej fazie, to

zastępujemy

 

dN

 

przez

.

background image

Reinhard Kulessa

12

Można więc zdefiniować potencjał chemiczny 
następująco:

(8.11)

.

Wyrażenie

(8.12)

nazywa się

 

uogólnioną tożsamością termodynamiczną.

background image

Reinhard Kulessa

13

8.4  Czynnik Gibbsa i wielka funkcja podziału

Zastanówmy się jakie jest prawdopodobieństwo 
znalezienia układu N cząstek w stanie i o energii 

i

Pamiętamy, że z tym układem  możliwy jest 

kontakt termiczny, oraz wymiana cząstek. Można 
pokazać, że prawdopodobieństwo to jest równe:

(8.13)

.

Jest to tzw. wielki układ kanoniczny Gibbsa. Wyrażenie

nazywamy czynnikiem Gibbsa, a      jest tzw. wielką 
funkcją podziału. Jest to suma czynników Gibbsa 
dla wszystkich stanów układu przy uwzględnieniu 
wszystkich cząstek.

background image

Reinhard Kulessa

14

(8.14)

Widzimy, że

 

gdy nie ma wymiany cząstek, czynnik 

Gibbsa przechodzi w czynnik Bolzmanna

.

background image

Reinhard Kulessa

15

8.5  Stała  oraz stała k

Wyprowadźmy obecnie zależność pomiędzy  a k. 

Pamiętamy, że  S=k ln . Rozważmy rozkład Bosego-

Einsteina.

Logarytm naturalny prawdopodobieństwa 
termodynamicznego tego rozkładu dany jest wzorem 

(5.21),

 czyli 

Wprowadzając entropię otrzymujemy: 

background image

Reinhard Kulessa

16

Pamiętamy, że zgodnie z równaniem 

(7.9)

Równanie (

8.15)

 przedstawia entropię dla układu 

izolowanego o stałej objętości, tak, że możemy 
przeprowadzić różniczkowanie. Po prostych 
przekształceniach otrzymujemy

(8.15)

(8.16)

Równocześnie z rozkładu Bosego-Einsteina mamy: 

background image

Reinhard Kulessa

17

(8.17)

tak, że 

,

(8.18)

.

Wiemy, że                                            
  , czyli 

(8.19)

.

Również                                                  , co 
daje,

background image

Reinhard Kulessa

18

(8.20)

W oparciu o równania 

(7.9), (8.18), (8.19) i (8.20)

 

mamy więc:

lub

(8.21)

.

Do tego samego rezultatu możemy dojść w 
oparciu o inne rozkłady.

background image

Reinhard Kulessa

19

8.6  Własności funkcji podziału

Załóżmy, że mamy zbiór mikroskopowych cząstek 
spełniających statystykę Bosego-Einsteina lub 
Maxwella-Bolzmanna dla          g

>> N

i

. Wtedy,

(8.22)

,

a rozkład dla stanu równowagi będzie :

(8.23)

.

Dla g

>> N

i

 możemy napisać w oparciu o 

równanie 

(8.15)

(8.24)

background image

Reinhard Kulessa

20

Korzystając z równania 

(8.23)

 mamy

,

a ponieważ                                                               , mamy 

(8.25)

Wyraziliśmy więc entropię przez funkcję podziału i 
energię wewnętrzną układu.                                       
                                 Dla układu izolowanego 
funkcja podziału zależy tylko od temperatury, bo 
zarówno g

i

 jak i  

i

  są ustalone przez warunki 

kwantowo-mechaniczne.

background image

Reinhard Kulessa

21

(8.26)

z kolei z równania 

(8.23)

 mamy

,

(8.27)

.

Mamy więc,

(8.2
8)

A równanie 

(8.25)

 przyjmuje postać 

,

background image

Reinhard Kulessa

22

(8.29)

Dla wielkiego układu kanonicznego otrzymujemy na 
energię układu następujące wyrażenie:

(8.30)

.

Widzimy, że dla układu z  g

i

 >> N

i

  U i S mogą być 

wyrażone przez funkcję podziału.                                
                                 Inne własności 
termodynamiczne też mogą być wyrażone przez 
funkcję podziału np.. funkcja Helmholza: 

background image

Reinhard Kulessa

23

(8.31)

.

Jedną z tożsamości Maxwella było:

.

(8.32)

Mamy 
więc:

(8.33)

Można więc napisać entalpię i funkcję Gibbsa 
następująco:

(8.34)

background image

Reinhard Kulessa

24

. (8.35)

Dla idealnego gazu monoatomowego można pokazać, że:

Wynika stąd, że

czyli

,

.

Można stąd  łatwo wyliczyć ciepło właściwe.

background image

Reinhard Kulessa

25

8.7  Gazy dwu- i wieloatomowe

W paragrafie 5.4, kiedy mówiliśmy o degeneracji 
stanów kwantowych podaliśmy rysunek 
dwuatomowej cząstki, która mogła wykonywać 
ruchy rotacyjne, wibracyjne i translacyjne(ruch 
środka masy).                                           Załóżmy, 
że stosujemy graniczny przypadek statystyki 
Bosego-Einsteina, czyli dla przypadku, gdy g

i

 >> 

N

. Całkowita energia molekuły wyrazi się 

następująco:

,

(8.36)

a funkcja podziału

(8.37)

.

background image

Reinhard Kulessa

26

Kiedy każdy z tych ruchów odbywa się niezależnie, 
funkcję podziału można rozdzielić: 

.

Dla dwuatomowej molekuły energia rotacyjna jest dana przez:

(8.38)

gdzie j = 0,2,4.

Degeneracja poziomu rotacyjnego jest równa g

rot

 = 2j+1.

Stąd 

,(8.39)

background image

Reinhard Kulessa

27

gdzie                                     jest tzw. 
charakterystyczną temperaturą rotacji. 

Z kolei dla ruchów wibracyjnych otrzymamy:

(8.40)

gdzie 
n=0,1,2...

,

Funkcja podziału przyjmie postać:

.

(8.41)

Definiując charakterystyczną temperaturę wibracji jako

(8.42)

,

background image

Reinhard Kulessa

28

otrzymamy

.

(8.43)

Korzystając z r. (8.28), otrzymujemy, przyjmując 
dla rotacji 

. (8.44)

Możemy więc policzyć z tych równań odpowiednie 
ciepła właściwe.


Document Outline