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),定义:
f(r)=e−βV(r)−1
优于直接展开 V(r),因为当 ∣f∣≪1 时级数收敛性更好
位形积分
SN=∫i=1∏Nd3rii<j∏(1+fij)
其中 fij≡f(ri−rj)
9.2 巨正则系综处理
巨配分函数
Z=N=0∑∞N!1(λ3eβμ)NSN
图解展开
通过连通集团定理:
lnZ=kBTpV=ℓ=1∑∞(λ3eβμ)ℓℓ!bℓ
其中 bℓ 是 ℓ 粒子连通集团的积分:
bℓ=∫i=1∏ℓd3ri(连通图∑边∏fij)
9.3 维里展开
密度展开式
定义逸度 x=λ3eβμ,则:
{p=kBT∑ℓ=1∞ℓ!xℓbℓn=∑ℓ=1∞(ℓ−1)!xℓtℓ
其中 tℓ=limV→∞Vbℓ
状态方程
通过迭代求解逸度 x:
p=nkBT[1+B2(T)n+B3(T)n2+⋯]
其中维里系数:
B2(T)=−2t2,B3(T)=2t22−6t3
9.4 第二维里系数计算
典型势函数
考虑Lennard-Jones型势:
V(r)={∞−u0(rr0)6r<r0r≥r0
显式计算
B2(T)=−21∫d3rf(r)=32πr03(1−kBTu0)
9.5 范德瓦尔斯方程
状态方程形式
(P+a2n2)(V−b)=NkBT
其中:
- a=u0⋅32πr03 (吸引修正)
- b=32πr03 (排斥体积)
物理诠释
项 |
物理意义 |
来源 |
an2 |
分子间吸引力修正 |
长程吸引势 |
b |
分子固有体积 |
硬核排斥势 |
9.6 临界现象
临界点条件
(∂V∂P)T=0,(∂V2∂2P)T=0
临界参量
参量 |
表达式 |
数值关系 |
临界体积 Vc |
3b |
- |
临界压强 Pc |
27b2a |
- |
临界温度 Tc |
27bkB8a |
kBTcPcVc=83 |
注: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