统计物理 · 第一部分 预备知识 · 第 1 章

热力学要点回顾

A Review of Thermodynamics
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目的

只回顾统计热力学中真正会用到的热力学内容。热力学定律是经验总结(公设),不加证明;由定律推出的关系则逐一推导。

§1.1基本概念

  • 系统的类型:孤立系统(与外界既无能量交换也无物质交换);封闭系统(有能量交换、无物质交换);开放系统(两者都有)。
  • 平衡态:在不变的外界条件下,宏观性质不随时间变化、且内部没有宏观流动(热流、粒子流)的状态。
  • 状态函数:只由平衡态本身决定、与如何到达该状态无关的量,如 U,V,p,T,SU, V, p, T, S。
  • 广延量与强度量:把系统复制 λ\lambda 份并合并,广延量(U,V,N,S,F,GU,V,N,S,F,G 等)变为原来的 λ\lambda 倍;强度量(T,p,μT,p,\mu)不变。
  • 准静态过程:进行得足够缓慢、每一时刻都可视为处于平衡态的过程。没有耗散的准静态过程是可逆过程。
  • 物态方程:平衡态下状态变量之间的函数关系。最重要的例子是理想气体:pV=NkBT=nRTpV = Nk_{\mathrm B}T = nRT(nn 为物质的量)。

§1.2第零定律与温度

若 A 与 C 处于热平衡,B 与 C 也处于热平衡,则 A 与 B 处于热平衡。这使我们可以定义一个"所有相互处于热平衡的系统都相同"的状态量——温度。第3章将给出温度的微观定义 (3.5)。

§1.3第一定律

dU=δQ+δW(1.1)dU = \delta Q + \delta W \tag{1.1}

UU 是内能(状态函数);δQ\delta Q 是系统吸收的热;δW\delta W 是外界对系统做的功,对准静态过程 δW=−p dV\delta W = -p\,dV。记号 δ\delta 强调 QQ、WW 不是状态函数:δQ\delta Q、δW\delta W 只是过程中传递的小量,其累积值依赖于路径。

全微分与恰当微分

函数 f(x,y)f(x,y) 的全微分是 df=(∂f/∂x)y dx+(∂f/∂y)x dydf = (\partial f/\partial x)_y\,dx + (\partial f/\partial y)_x\,dy。微分式 M(x,y) dx+L(x,y) dyM(x,y)\,dx + L(x,y)\,dy 能写成某个函数的全微分(称为恰当微分)的充要条件(在单连通区域上)是 ∂M/∂y=∂L/∂x\partial M/\partial y = \partial L/\partial x;必要性来自"混合二阶偏导数与求导次序无关":∂2f/∂y∂x=∂2f/∂x∂y\partial^2 f/\partial y\partial x = \partial^2 f/\partial x\partial y。恰当微分的线积分只依赖于端点,与路径无关。(详见附录 A2,特别是 §A2.2–§A2.3。)

例:以 (T,V)(T,V) 为自变量,理想气体的 δW=−p dV=0⋅dT+(−NkBT/V)dV\delta W = -p\,dV = 0\cdot dT + \left(-Nk_{\mathrm B}T/V\right)dV。这里 M=0M = 0,L=−NkBT/VL = -Nk_{\mathrm B}T/V,而 ∂M/∂V=0≠∂L/∂T=−NkB/V\partial M/\partial V = 0 \ne \partial L/\partial T = -Nk_{\mathrm B}/V,所以 δW\delta W 不是恰当微分——功与路径有关。

热容。定容热容 CV≡(δQ/dT)VC_V \equiv (\delta Q/dT)_V。体积不变时 δW=0\delta W = 0,由 (1.1) 得 δQ=dU\delta Q = dU,所以

CV=(∂U∂T)V(1.2)C_V = \left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_V \tag{1.2}

定义焓 H≡U+pVH \equiv U + pV。准静态过程中 dH=dU+p dV+V dp=(δQ−p dV)+p dV+V dp=δQ+V dpdH = dU + p\,dV + V\,dp = (\delta Q - p\,dV) + p\,dV + V\,dp = \delta Q + V\,dp;压强不变时 δQ=dH\delta Q = dH,所以

Cp=(∂H∂T)p(1.3)C_p = \left(\frac{\partial H}{\partial T}\right)_p \tag{1.3}

§1.4第二定律与熵

第二定律(克劳修斯表述):热量不能自发地从低温物体传到高温物体。在热力学中,由它(借助卡诺循环的论证)得到以下两条结论。本讲义把它们作为第二定律的内容直接接受;第3、4章将从微观上重新得到它们。

(1) 熵的存在:对可逆过程,δQrev/T\delta Q_{\mathrm{rev}}/T 是某个状态函数——熵 SS——的全微分:

dS=δQrevT(1.4)dS = \frac{\delta Q_{\mathrm{rev}}}{T} \tag{1.4}

用提示 A2 的语言:δQrev\delta Q_{\mathrm{rev}} 本身不是恰当微分,但乘上"积分因子" 1/T1/T 后成为恰当微分。

(2) 熵增原理:对任意过程有克劳修斯不等式 dS≥δQ/TdS \ge \delta Q/T(等号对应可逆过程)。对孤立系统 δQ=0\delta Q = 0,故

dS≥0(孤立系统)(1.5)dS \ge 0 \qquad(\text{孤立系统}) \tag{1.5}

孤立系统的熵永不减少;在给定约束下,平衡态是熵取极大值的状态。第3章将看到它的微观含义:平衡态是包含微观态数目最多的宏观态。

热力学基本方程。对封闭系统的可逆过程,δQ=T dS\delta Q = T\,dS,δW=−p dV\delta W = -p\,dV,代入 (1.1) 得 dU=T dS−p dVdU = T\,dS - p\,dV。由于此式只含状态函数,它对连接两个邻近平衡态的任何过程都成立。若粒子数也可变,则

dU=T dS−p dV+μ dN(1.6)dU = T\,dS - p\,dV + \mu\,dN \tag{1.6}

其中 μ≡(∂U/∂N)S,V\mu \equiv (\partial U/\partial N)_{S,V} 称为化学势。(1.6) 说明 UU 的"自然变量"是 (S,V,N)(S,V,N)。把 (1.6) 解出 dSdS,得到熵表象的基本方程:

dS=1T dU+pT dV−μT dN(1.7)dS = \frac{1}{T}\,dU + \frac{p}{T}\,dV - \frac{\mu}{T}\,dN \tag{1.7}
偏导数与全微分

(∂S/∂U)V,N(\partial S/\partial U)_{V,N} 表示固定 V,NV,N、只让 UU 变化时 SS 的变化率。热力学中下标注明"哪些变量保持不变",这一点至关重要:例如固定 VV 与固定 pp 时的 ∂S/∂T\partial S/\partial T 是两个不同的量。若 S=S(U,V,N)S = S(U,V,N),则 dS=(∂S/∂U)V,NdU+(∂S/∂V)U,NdV+(∂S/∂N)U,VdNdS = (\partial S/\partial U)_{V,N}dU + (\partial S/\partial V)_{U,N}dV + (\partial S/\partial N)_{U,V}dN。(详见附录 A1。)

把这个全微分与 (1.7) 逐项比较:

(∂S∂U)V,N=1T,(∂S∂V)U,N=pT,(∂S∂N)U,V=−μT(1.8)\left(\frac{\partial S}{\partial U}\right)_{V,N} = \frac{1}{T},\qquad \left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_{U,N} = \frac{p}{T},\qquad \left(\frac{\partial S}{\partial N}\right)_{U,V} = -\frac{\mu}{T} \tag{1.8}
要点

(1.8) 是统计力学与热力学"接头"的地方:微正则系综(第3章)先从微观上算出 S(U,V,N)S(U,V,N),再由 (1.8) 读出 TT、pp、μ\mu。

§1.5平衡条件与稳定性条件

考虑一个孤立系统,由子系统 1、2 组成,二者可以交换能量、体积和粒子:U1+U2=UU_1+U_2 = U,V1+V2=VV_1+V_2 = V,N1+N2=NN_1+N_2 = N 均固定。总熵

S=S1(U1,V1,N1)+S2(U−U1, V−V1, N−N1)S = S_1(U_1,V_1,N_1) + S_2(U-U_1,\ V-V_1,\ N-N_1)

利用 (1.8) 和链式法则(注意 dU2=−dU1dU_2 = -dU_1 等):

dS=(1T1−1T2)dU1+(p1T1−p2T2)dV1−(μ1T1−μ2T2)dN1dS = \left(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\right)dU_1 + \left(\frac{p_1}{T_1}-\frac{p_2}{T_2}\right)dV_1 - \left(\frac{\mu_1}{T_1}-\frac{\mu_2}{T_2}\right)dN_1

平衡时 SS 取极大,对任意的 dU1,dV1,dN1dU_1, dV_1, dN_1 都有 dS=0dS = 0,因此三个括号分别为零:

T1=T2,p1=p2,μ1=μ2(1.9)T_1 = T_2,\qquad p_1 = p_2,\qquad \mu_1 = \mu_2 \tag{1.9}

分别称为热平衡、力学平衡与化学平衡条件。

趋向平衡的方向。若只交换能量且 T1<T2T_1<T_2,熵增要求 dS=(1/T1−1/T2) dU1>0dS = (1/T_1 - 1/T_2)\,dU_1 > 0;括号为正,故 dU1>0dU_1>0:能量(热)从高温流向低温。若温度相同、只交换粒子且 μ1>μ2\mu_1 > \mu_2,则 dS=−(μ1−μ2) dN1/T>0dS = -(\mu_1-\mu_2)\,dN_1/T > 0 要求 dN1<0dN_1 < 0:粒子从化学势高处流向化学势低处。

稳定性。极大值还要求二阶变化为负。只考虑能量交换,并取两个完全相同的子系统,令 U1=U/2+ΔU_1 = U/2 + \Delta,U2=U/2−ΔU_2 = U/2 - \Delta。

泰勒展开

f(x0+Δ)=f(x0)+f′(x0)Δ+12f′′(x0)Δ2+⋯f(x_0+\Delta) = f(x_0) + f'(x_0)\Delta + \tfrac12 f''(x_0)\Delta^2 + \cdots;多元函数类似,二阶项含各二阶偏导数。(详见附录 A3,特别是 §A3.1、§A3.4。)

S(U/2+Δ)+S(U/2−Δ)=2S(U/2)+∂2S∂U2Δ2+⋯S(U/2+\Delta) + S(U/2-\Delta) = 2S(U/2) + \frac{\partial^2 S}{\partial U^2}\Delta^2 + \cdots

(一阶项相互抵消。)Δ=0\Delta = 0 为极大要求 ∂2S/∂U2<0\partial^2 S/\partial U^2 < 0。而由 (1.8)、(1.2):

∂2S∂U2=∂∂U(1T)=−1T2(∂T∂U)V=−1T2CV,故CV>0(1.10)\frac{\partial^2 S}{\partial U^2} = \frac{\partial}{\partial U}\left(\frac1T\right) = -\frac{1}{T^2}\left(\frac{\partial T}{\partial U}\right)_V = -\frac{1}{T^2 C_V}, \qquad\text{故}\qquad C_V > 0 \tag{1.10}

§4.4 将从统计力学给出这一结论的另一证明:CVC_V 正比于能量涨落的方差。

§1.6热力学势与勒让德变换

实验上容易控制的通常是温度而不是熵。我们希望把自变量 SS 换成 T=(∂U/∂S)V,NT = (\partial U/\partial S)_{V,N},同时不丢失任何信息。这正是勒让德变换所做的事。

勒让德变换

设 f(x)f(x) 的斜率 y=f′(x)y = f'(x) 随 xx 单调变化,因而可反解出 x=x(y)x = x(y)。定义 g(y)≡f(x)−xyg(y) \equiv f(x) - xy(右边的 xx 用 x(y)x(y) 代入)。则 dg=f′(x) dx−x dy−y dx=−x dydg = f'(x)\,dx - x\,dy - y\,dx = -x\,dy,即 g′(y)=−xg'(y) = -x。g(y)g(y) 与 f(x)f(x) 包含相同的信息,但以斜率 yy 为自变量。多元函数可对需要替换的变量逐个进行。(详见附录 A5。)

亥姆霍兹自由能 F≡U−TSF \equiv U - TS:

dF=dU−T dS−S dT=−S dT−p dV+μ dN(1.11)dF = dU - T\,dS - S\,dT = -S\,dT - p\,dV + \mu\,dN \tag{1.11}

(第二个等号代入了 (1.6)。)同理可得:

H≡U+pV:dH=T dS+V dp+μ dN(1.12)H \equiv U + pV:\qquad dH = T\,dS + V\,dp + \mu\,dN \tag{1.12}
G≡U−TS+pV:dG=−S dT+V dp+μ dN(1.13)G \equiv U - TS + pV:\qquad dG = -S\,dT + V\,dp + \mu\,dN \tag{1.13}
J≡U−TS−μN:dJ=−S dT−p dV−N dμ(1.14)J \equiv U - TS - \mu N:\qquad dJ = -S\,dT - p\,dV - N\,d\mu \tag{1.14}

从这些全微分可以直接读出偏导数,例如

S=−(∂F∂T)V,N,p=−(∂F∂V)T,N,μ=(∂F∂N)T,V,N=−(∂J∂μ)T,VS = -\left(\frac{\partial F}{\partial T}\right)_{V,N},\quad p = -\left(\frac{\partial F}{\partial V}\right)_{T,N},\quad \mu = \left(\frac{\partial F}{\partial N}\right)_{T,V},\quad N = -\left(\frac{\partial J}{\partial \mu}\right)_{T,V}

吉布斯–亥姆霍兹关系(第4章要用)。由 U=F+TS=F−T(∂F/∂T)VU = F + TS = F - T(\partial F/\partial T)_V,以及

∂∂T(FT)=1T∂F∂T−FT2=−TS+FT2=−UT2\frac{\partial}{\partial T}\left(\frac FT\right) = \frac1T\frac{\partial F}{\partial T} - \frac{F}{T^2} = -\frac{TS + F}{T^2} = -\frac{U}{T^2}

得 U=−T2 ∂(F/T)/∂TU = -T^2\,\partial(F/T)/\partial T。改用 β=1/(kBT)\beta = 1/(k_{\mathrm B}T) 为变量:∂/∂β=(dT/dβ) ∂/∂T=−kBT2 ∂/∂T\partial/\partial\beta = (dT/d\beta)\,\partial/\partial T = -k_{\mathrm B}T^2\,\partial/\partial T,而 βF=F/(kBT)\beta F = F/(k_{\mathrm B}T),于是

U=(∂(βF)∂β)V,N(1.15)U = \left(\frac{\partial(\beta F)}{\partial\beta}\right)_{V,N} \tag{1.15}

极小原理。设系统与温度为 TT 的大热源接触,VV、NN 固定。系统 + 热源构成孤立系统,由 (1.5),dS+dSR≥0dS + dS_{\mathrm R} \ge 0。热源温度恒定且内部过程可逆,它吸收的热为 −δQ-\delta Q(δQ\delta Q 是系统吸收的热),故 dSR=−δQ/TdS_{\mathrm R} = -\delta Q/T;体积不变时 δQ=dU\delta Q = dU。于是 dS−dU/T≥0dS - dU/T \ge 0,即(TT 不变)

dF=d(U−TS)≤0(1.16)dF = d(U - TS) \le 0 \tag{1.16}

FF 只减不增,在 T,V,NT,V,N 固定时平衡态使 FF 极小。同理:若系统还与压强为 pp 的外界交换体积,dSR=−(dU+p dV)/TdS_{\mathrm R} = -(dU + p\,dV)/T,得 d(U−TS+pV)≤0d(U - TS + pV) \le 0,即 T,p,NT,p,N 固定时 GG 极小;若与源交换能量和粒子(化学势 μ\mu),dSR=−(dU−μ dN)/TdS_{\mathrm R} = -(dU - \mu\,dN)/T,得 T,V,μT,V,\mu 固定时 JJ 极小。

§1.7麦克斯韦关系

由 (1.11),F(T,V)F(T,V) 的两个一阶偏导数是 −S-S 与 −p-p。由混合偏导数相等(提示 A2),∂∂V∂F∂T=∂∂T∂F∂V\dfrac{\partial}{\partial V}\dfrac{\partial F}{\partial T} = \dfrac{\partial}{\partial T}\dfrac{\partial F}{\partial V},即 (∂S/∂V)T=(∂p/∂T)V(\partial S/\partial V)_T = (\partial p/\partial T)_V。对 GG、UU、HH 做同样的事,得到四个麦克斯韦关系(NN 固定,下标中省略):

(∂S∂V)T=(∂p∂T)V,(∂S∂p)T=−(∂V∂T)p,(∂T∂V)S=−(∂p∂S)V,(∂T∂p)S=(∂V∂S)p(1.17)\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T = \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V,\quad \left(\frac{\partial S}{\partial p}\right)_T = -\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p,\quad \left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_S = -\left(\frac{\partial p}{\partial S}\right)_V,\quad \left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_S = \left(\frac{\partial V}{\partial S}\right)_p \tag{1.17}

它们的用处是把难以直接测量的熵的导数换成可测的 pp–VV–TT 关系。

§1.8响应函数与偏导数技巧

由于 δQrev=T dS\delta Q_{\mathrm{rev}} = T\,dS,热容也可写成

CV=T(∂S∂T)V,Cp=T(∂S∂T)p(1.18)C_V = T\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_V,\qquad C_p = T\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_p \tag{1.18}

另定义体膨胀系数和等温压缩系数:

α≡1V(∂V∂T)p,κT≡−1V(∂V∂p)T(1.19)\alpha \equiv \frac1V\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p,\qquad \kappa_T \equiv -\frac1V\left(\frac{\partial V}{\partial p}\right)_T \tag{1.19}
偏导数恒等式

若 x,y,zx,y,z 三个变量之间有一个关系(只有两个独立),则:(i) 倒数关系 (∂x/∂y)z=1/(∂y/∂x)z(\partial x/\partial y)_z = 1/(\partial y/\partial x)_z;(ii) 循环关系 (∂x/∂y)z(∂y/∂z)x(∂z/∂x)y=−1(\partial x/\partial y)_z(\partial y/\partial z)_x(\partial z/\partial x)_y = -1;(iii) 换固定变量:若 f=f(x,y)f = f(x,y) 而 yy 又可看作 (x,z)(x,z) 的函数,则 (∂f/∂x)z=(∂f/∂x)y+(∂f/∂y)x(∂y/∂x)z(\partial f/\partial x)_z = (\partial f/\partial x)_y + (\partial f/\partial y)_x(\partial y/\partial x)_z。(详见附录 A4。)

例:Cp−CVC_p - C_V。把 SS 看成 (T,V)(T,V) 的函数,再把 VV 看成 (T,p)(T,p) 的函数,由 (iii):

(∂S∂T)p=(∂S∂T)V+(∂S∂V)T(∂V∂T)p\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_p = \left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_V + \left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p

两边乘以 TT,用 (1.18) 及麦克斯韦关系 (∂S/∂V)T=(∂p/∂T)V(\partial S/\partial V)_T = (\partial p/\partial T)_V:Cp=CV+T(∂p/∂T)V(∂V/∂T)pC_p = C_V + T(\partial p/\partial T)_V(\partial V/\partial T)_p。再由循环关系与倒数关系,

(∂p∂T)V=−(∂V/∂T)p(∂V/∂p)T=VαVκT=ακT\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V = -\frac{(\partial V/\partial T)_p}{(\partial V/\partial p)_T} = \frac{V\alpha}{V\kappa_T} = \frac{\alpha}{\kappa_T}

于是

Cp−CV=TVα2κT(1.20)C_p - C_V = \frac{TV\alpha^2}{\kappa_T} \tag{1.20}

对理想气体 V=NkBT/pV = Nk_{\mathrm B}T/p,α=1/T\alpha = 1/T,κT=1/p\kappa_T = 1/p,得 Cp−CV=pV/T=NkBC_p - C_V = pV/T = Nk_{\mathrm B}(迈耶关系)。

能态方程。在 (1.6) 中固定 TT、NN,两边除以 dVdV,并用麦克斯韦关系:

(∂U∂V)T=T(∂S∂V)T−p=T(∂p∂T)V−p(1.21)\left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_T = T\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T - p = T\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V - p \tag{1.21}

对理想气体右边 =T⋅NkB/V−p=0= T\cdot Nk_{\mathrm B}/V - p = 0:理想气体的内能只是温度的函数。

κT>0\kappa_T > 0。在 T,NT,N 固定下把系统等分为两半,允许它们交换体积:F总=F(V/2+Δ)+F(V/2−Δ)=2F(V/2)+(∂2F/∂V2)Δ2+⋯F_{\text{总}} = F(V/2+\Delta) + F(V/2-\Delta) = 2F(V/2) + (\partial^2F/\partial V^2)\Delta^2 + \cdots。由 (1.16),平衡要求 FF 极小,故 ∂2F/∂V2>0\partial^2F/\partial V^2 > 0。而 ∂2F/∂V2=−(∂p/∂V)T=1/(VκT)\partial^2 F/\partial V^2 = -(\partial p/\partial V)_T = 1/(V\kappa_T),所以

κT>0(1.22)\kappa_T > 0 \tag{1.22}

§1.9广延性:欧拉关系与吉布斯–杜安关系

UU 是广延量,其自然变量 S,V,NS,V,N 也都是广延量,因此 U(λS,λV,λN)=λU(S,V,N)U(\lambda S,\lambda V,\lambda N) = \lambda U(S,V,N)。

齐次函数的欧拉定理

若 f(λx1,…,λxn)=λkf(x1,…,xn)f(\lambda x_1,\dots,\lambda x_n) = \lambda^k f(x_1,\dots,x_n) 对一切 λ>0\lambda>0 成立,两边对 λ\lambda 求导(左边用链式法则)后令 λ=1\lambda = 1,得 ∑ixi ∂f/∂xi=kf\sum_i x_i\,\partial f/\partial x_i = k f。(详见附录 A9,特别是 §A9.2–§A9.4。)

取 k=1k=1,并用 ∂U/∂S=T\partial U/\partial S = T 等:

U=TS−pV+μN(1.23)U = TS - pV + \mu N \tag{1.23}

于是

G=U−TS+pV=μN,J=U−TS−μN=−pV(1.24)G = U - TS + pV = \mu N,\qquad J = U - TS - \mu N = -pV \tag{1.24}

即化学势是每个粒子的吉布斯自由能,巨势等于 −pV-pV(第8章要用)。对 (1.23) 求全微分并减去 (1.6):

S dT−V dp+N dμ=0(1.25)S\,dT - V\,dp + N\,d\mu = 0 \tag{1.25}

这是吉布斯–杜安关系:TT、pp、μ\mu 三个强度量不是独立的。写成每个粒子的量(s=S/Ns = S/N,v=V/Nv = V/N):dμ=−s dT+v dpd\mu = -s\,dT + v\,dp。

§1.10第三定律

能斯特–普朗克表述:当 T→0T\to 0 时,系统的熵趋于一个常数 S0S_0(对完美晶体可取 S0=0S_0 = 0)。一个直接推论:由 (1.18),定容下 dS=CV dT/TdS = C_V\,dT/T,所以

S(T)−S(0)=∫0TCV(T′)T′ dT′S(T) - S(0) = \int_0^T \frac{C_V(T')}{T'}\,dT'

若 T→0T\to 0 时 CVC_V 趋于非零常数 cc,积分在下限附近表现为 cln⁡T′c\ln T' 而发散,与 S(0)S(0) 有限矛盾。因此

CV→0(T→0)(1.26)C_V \to 0 \qquad (T\to 0) \tag{1.26}

(CpC_p 同理。)§3.3 将给出第三定律的统计解释(基态简并度)。

§1.11理想气体与化学平衡速查

(a) 理想气体的熵。以 (T,V)(T,V) 为变量,dS=(∂S/∂T)VdT+(∂S/∂V)TdV=(CV/T) dT+(∂p/∂T)V dV=(CV/T) dT+(NkB/V) dVdS = (\partial S/\partial T)_V dT + (\partial S/\partial V)_T dV = (C_V/T)\,dT + (\partial p/\partial T)_V\,dV = (C_V/T)\,dT + (Nk_{\mathrm B}/V)\,dV。设 CV=NcvC_V = Nc_v 为常数,积分得 S=Ncvln⁡T+NkBln⁡V+f(N)S = Nc_v\ln T + Nk_{\mathrm B}\ln V + f(N),其中 f(N)f(N) 是积分"常数"(与 TT、VV 无关,但可以依赖于 NN)。要求 SS 是广延量:S(T,λV,λN)=λS(T,V,N)S(T,\lambda V,\lambda N) = \lambda S(T,V,N),比较两边得 f(λN)=λf(N)−λNkBln⁡λf(\lambda N) = \lambda f(N) - \lambda N k_{\mathrm B}\ln\lambda。令 N=1N=1、再把 λ\lambda 改记为 NN:f(N)=Nf(1)−NkBln⁡Nf(N) = Nf(1) - Nk_{\mathrm B}\ln N。记 s0=f(1)s_0 = f(1):

S=N[cvln⁡T+kBln⁡VN+s0](1.27)S = N\left[c_v\ln T + k_{\mathrm B}\ln\frac{V}{N} + s_0\right] \tag{1.27}

热力学无法确定常数 s0s_0;统计力学将把它算出来(萨克尔–特多德公式,§3.6)。

(b) 理想气体的化学势。由吉布斯–杜安关系,等温时 dμ=v dp=(kBT/p) dpd\mu = v\,dp = (k_{\mathrm B}T/p)\,dp,从标准压强 p∘p^\circ(通常取 1 bar)积分到 pp:

μ(T,p)=μ∘(T)+kBTln⁡pp∘(1.28)\mu(T,p) = \mu^\circ(T) + k_{\mathrm B}T\ln\frac{p}{p^\circ} \tag{1.28}

对理想气体混合物,每个组分 ii 的化学势具有同样的形式,只是 pp 换成分压 pip_i:μi=μi∘(T)+kBTln⁡(pi/p∘)\mu_i = \mu_i^\circ(T) + k_{\mathrm B}T\ln(p_i/p^\circ)。这一点将在 §7.8 由统计力学证明。

(c) 化学平衡。把化学反应写成 ∑iνiAi=0\sum_i \nu_i A_i = 0,其中 νi\nu_i 为化学计量数(生成物取正、反应物取负)。若反应进度改变 dξd\xi,则 dNi=νi dξdN_i = \nu_i\,d\xi。在 TT、pp 固定时,由 (1.13) 的多组分形式 dG=∑iμi dNi=(∑iνiμi)dξdG = \sum_i\mu_i\,dN_i = \left(\sum_i\nu_i\mu_i\right)d\xi。GG 极小要求

∑iνiμi=0(1.29)\sum_i \nu_i\mu_i = 0 \tag{1.29}

对理想气体代入 (1.28):∑iνiμi∘+kBT∑iνiln⁡(pi/p∘)=0\sum_i\nu_i\mu_i^\circ + k_{\mathrm B}T\sum_i \nu_i\ln(p_i/p^\circ) = 0。利用 ∑iνiln⁡xi=ln⁡∏ixiνi\sum_i \nu_i \ln x_i = \ln\prod_i x_i^{\nu_i}:

K∘(T)≡∏i(pip∘)νi=exp⁡(−∑iνiμi∘kBT)(1.30)K^\circ(T) \equiv \prod_i\left(\frac{p_i}{p^\circ}\right)^{\nu_i} = \exp\left(-\frac{\sum_i\nu_i\mu_i^\circ}{k_{\mathrm B}T}\right) \tag{1.30}

按摩尔计时把 kBk_{\mathrm B} 换成 RR,指数中即为 −ΔrG∘/RT-\Delta_{\mathrm r}G^\circ/RT。§7.8 将从分子配分函数计算 K∘K^\circ。

§1.12本章小结

热力学势定义全微分自然变量平衡判据对应的系综
SS—dS=dU/T+p dV/T−μ dN/TdS = dU/T + p\,dV/T - \mu\,dN/TU,V,NU,V,N孤立系统中极大微正则(第3章)
FFU−TSU-TSdF=−S dT−p dV+μ dNdF = -S\,dT - p\,dV + \mu\,dNT,V,NT,V,N极小正则(第4章)
GGU−TS+pV=μNU-TS+pV = \mu NdG=−S dT+V dp+μ dNdG = -S\,dT + V\,dp + \mu\,dNT,p,NT,p,N极小等温等压系综(本讲义不展开)
JJU−TS−μN=−pVU-TS-\mu N = -pVdJ=−S dT−p dV−N dμdJ = -S\,dT - p\,dV - N\,d\muT,V,μT,V,\mu极小巨正则(第8章)

自测题

  1. 证明 (∂CV/∂V)T=T(∂2p/∂T2)V(\partial C_V/\partial V)_T = T(\partial^2p/\partial T^2)_V,并由此说明理想气体的 CVC_V 与体积无关。[提示:CV=T(∂S/∂T)VC_V = T(\partial S/\partial T)_V,交换求导次序后用麦克斯韦关系。]
  2. 范德瓦尔斯气体满足 (p+aN2/V2)(V−Nb)=NkBT(p + aN^2/V^2)(V - Nb) = Nk_{\mathrm B}T。用 (1.21) 求 (∂U/∂V)T(\partial U/\partial V)_T。[答:aN2/V2aN^2/V^2]
  3. 从 G=μNG = \mu N 与 (1.13) 出发,重新推导吉布斯–杜安关系 (1.25)。