9. 非理想气体的集团展开理论

9.1 集团展开基础

基本思想

对于短程相互作用势 V(r)V(\vec{r}),定义:

f(r)=eβV(r)1f(\vec{r}) = e^{-\beta V(\vec{r})} - 1

优于直接展开 V(r)V(\vec{r}),因为当 f1|f| \ll 1 时级数收敛性更好

位形积分

SN=i=1Nd3rii<j(1+fij)S_N = \int \prod_{i=1}^N d^3 r_i \prod_{i<j} (1 + f_{ij})

其中 fijf(rirj)f_{ij} \equiv f(\vec{r}_i - \vec{r}_j)

9.2 巨正则系综处理

巨配分函数

Z=N=01N!(eβμλ3)NSN\mathcal{Z} = \sum_{N=0}^\infty \frac{1}{N!} \left( \frac{e^{\beta\mu}}{\lambda^3} \right)^N S_N

图解展开

通过连通集团定理

lnZ=pVkBT==1(eβμλ3)b!\ln \mathcal{Z} = \frac{pV}{k_B T} = \sum_{\ell=1}^\infty \left( \frac{e^{\beta\mu}}{\lambda^3} \right)^\ell \frac{b_\ell}{\ell!}

其中 bb_\ell\ell 粒子连通集团的积分:

b=i=1d3ri(连通图fij)b_\ell = \int \prod_{i=1}^\ell d^3 r_i \left( \sum_{\text{连通图}} \prod_{\text{边}} f_{ij} \right)

9.3 维里展开

密度展开式

定义逸度 x=eβμλ3x = \frac{e^{\beta\mu}}{\lambda^3},则:

{p=kBT=1x!bn==1x(1)!t\begin{cases} p = k_B T \sum_{\ell=1}^\infty \frac{x^\ell}{\ell!} b_\ell \\ n = \sum_{\ell=1}^\infty \frac{x^\ell}{(\ell-1)!} t_\ell \end{cases}

其中 t=limVbVt_\ell = \lim_{V\to\infty} \frac{b_\ell}{V}

状态方程

通过迭代求解逸度 xx

p=nkBT[1+B2(T)n+B3(T)n2+]p = n k_B T \left[ 1 + B_2(T) n + B_3(T) n^2 + \cdots \right]

其中维里系数:

B2(T)=t22,B3(T)=t222t36B_2(T) = -\frac{t_2}{2}, \quad B_3(T) = \frac{t_2^2}{2} - \frac{t_3}{6}

9.4 第二维里系数计算

典型势函数

考虑Lennard-Jones型势:

V(r)={r<r0u0(r0r)6rr0V(r) = \begin{cases} \infty & r < r_0 \\ -u_0 \left( \frac{r_0}{r} \right)^6 & r \geq r_0 \end{cases}

显式计算

B2(T)=12d3rf(r)=2πr033(1u0kBT)B_2(T) = -\frac{1}{2} \int d^3 r f(r) = \frac{2\pi r_0^3}{3} \left( 1 - \frac{u_0}{k_B T} \right)

9.5 范德瓦尔斯方程

状态方程形式

(P+an22)(Vb)=NkBT\left( P + a \frac{n^2}{2} \right) (V - b) = N k_B T

其中:

  • a=u02πr033a = u_0 \cdot \frac{2\pi r_0^3}{3} (吸引修正)
  • b=2πr033b = \frac{2\pi r_0^3}{3} (排斥体积)

物理诠释

物理意义 来源
an2a n^2 分子间吸引力修正 长程吸引势
bb 分子固有体积 硬核排斥势

9.6 临界现象

临界点条件

(PV)T=0,(2PV2)T=0\left( \frac{\partial P}{\partial V} \right)_T = 0, \quad \left( \frac{\partial^2 P}{\partial V^2} \right)_T = 0

临界参量

参量 表达式 数值关系
临界体积 VcV_c 3b3b -
临界压强 PcP_c a27b2\frac{a}{27b^2} -
临界温度 TcT_c 8a27bkB\frac{8a}{27b k_B} PcVckBTc=38\frac{P_c V_c}{k_B T_c} = \frac{3}{8}

:范德瓦尔斯方程在1873年提出,早于现代统计力学理论(1890年代),是首个能描述气液相变的唯象方程