第四部分 · 相互作用系统与相变
第二、三部分处理的几乎都是近独立粒子:配分函数可以分解为单粒子配分函数的乘积。本部分去掉这一前提。粒子之间有了相互作用,配分函数一般无法精确计算,却出现了全新的现象——相变。第17章从稀薄的实际气体出发,用位力展开与平均场近似得到范德瓦尔斯方程;第18章研究相变的"标准模型"伊辛模型,比较严格解与平均场理论;第19章用朗道理论统一描述相变,并讨论平均场失效的临界区;第20章介绍解释临界普适性的重整化群;第21章回顾这些理论解决了哪些问题。阅读前建议复习预备章 P3(物质磁性、分子间作用力)与 P4(相变的热力学)。
本章目标
(1) 把有相互作用的经典气体的配分函数化为位形积分;(2) 用巨正则系综推导位力展开,求出第二位力系数与分子间势的关系;(3) 由第二位力系数讨论玻意耳温度与焦耳–汤姆孙效应;(4) 用平均场近似从统计力学推导范德瓦尔斯方程,并说明麦克斯韦等面积规则的统计意义;(5) 求出范德瓦尔斯气体在临界点附近的行为;(6) 引入对关联函数,作为描述液体结构的语言。
§17.1位形积分
考虑 N 个质量为 m 的全同单原子分子,两两之间有只依赖于距离的相互作用 u(r)(例如伦纳德–琼斯势 (P3.9)):
H=i=1∑N2mpi2+U(r1,…,rN),U=i<j∑u(∣ri−rj∣)(17.1)
由 (4.4),正则配分函数中的动量积分与 (4.22) 完全相同,每个分子给出 (2πm/β)3/2=h3/λ3,所以
Z=N!λ3N1QN,QN=∫e−βUd3Nr(17.2)
QN 称为位形积分。无相互作用时 QN=VN,回到 (4.23)。
几个直接的推论:
- 动量部分与相互作用无关。在经典统计中,不论气体多稠密(甚至是液体),分子的速度分布都是麦克斯韦分布,平均动能都严格等于 23kBT。相互作用只通过 QN 影响热力学。
- 内能 U总=23NkBT+⟨U⟩,其中 ⟨U⟩=−∂lnQN/∂β;压强 p=kBT∂lnQN/∂V。
- 困难在于:U 把所有分子耦合在一起,QN 不能分解成单粒子积分的乘积。处理办法有三类:对密度展开(§17.2)、平均场近似(§17.5)、数值模拟(第32章)。
§17.2位力展开
把物态方程写成密度的幂级数:
nkBTp=1+B2(T)n+B3(T)n2+⋯(17.3)
B2、B3 分别称为第二、第三位力系数(昂内斯,1901)。目标是把 B2 用 u(r) 表示出来。引入迈耶函数
f(r)=e−βu(r)−1(17.4)
它只在相互作用的力程之内不为零:强排斥处 f≈−1,吸引势阱中 f>0。
巨正则展开。由 (8.3),Ξ=∑NzNZN=∑NN!ζNQN,其中 ζ≡z/λ3 称为活度(理想气体中它就等于 n)。写出前三项:Q0=1,Q1=V,
Q2=∫∫e−βu(r12)d3r1d3r2=∫∫[1+f(r12)]d3r1d3r2=V2+VIf,If≡∫f(r)d3r=4π∫0∞f(r)r2dr
(第二个积分把变量换成 r1 与 r=r2−r1;容器远大于力程,器壁效应可以忽略。)于是 Ξ=1+ζV+2ζ2(V2+VIf)+O(ζ3)。用 ln(1+x)=x−x2/2+⋯:
lnΞ=ζV+2ζ2(V2+VIf)−2ζ2V2+O(ζ3)=V[ζ+2Ifζ2]+O(ζ3)
关键是 V2 项相互抵消,lnΞ 正比于 V(广延的):只有一对分子"相遇"的贡献留了下来。由 (8.5)、(8.6)(注意 z∂/∂z=ζ∂/∂ζ):
βp=VlnΞ=ζ+2Ifζ2+⋯,n=ζ∂ζ∂(βp)=ζ+Ifζ2+⋯
反解第二式:ζ=n−Ifn2+O(n3),代入第一式:βp=n−Ifn2+2Ifn2+O(n3)=n−2Ifn2+O(n3)。与 (17.3) 比较:
B2(T)=−21∫f(r)d3r=−2π∫0∞(e−βu(r)−1)r2dr(17.5)
继续展开到更高阶,可以得到 B3 等,它们由越来越复杂的 f 函数乘积的积分("集团积分")给出(迈耶,1937),本讲义不再展开。物理意义:排斥使 f<0、B2>0,压强高于理想气体;吸引使 f>0、B2<0,压强降低。
与量子气体比较。§12.4 的 (12.12) 表明,即使没有相互作用,理想量子气体也有 B2=θλ3/(25/2gs):费米子像是互相排斥,玻色子像是互相吸引。低温下的氦气,B2 同时包含相互作用与量子统计两种贡献。
§17.3第二位力系数的几个例子
(a) 硬球。直径为 σ 的硬球:r<σ 时 u=∞、f=−1,r>σ 时 f=0。由 (17.5),
B2=2π∫0σr2dr=32πσ3
与温度无关,恰好是一个分子体积 πσ3/6 的 4 倍。
(b) 硬心加弱吸引。设 r<σ 时为硬心,r>σ 时为弱吸引 u(r)<0,且 ∣βu∣≪1,于是 f≈−βu:
B2≈b−kBTa,b=32πσ3,a=−2π∫σ∞u(r)r2dr>0(17.6)
低温时吸引占优,B2<0;高温时排斥占优,B2>0。B2=0 的温度称为玻意耳温度 TB,此时在相当宽的压强范围内气体表现得像理想气体;由 (17.6),kBTB=a/b。
(c) 伦纳德–琼斯势与氩。对 (P3.9),(17.5) 只能数值积分。用约化单位 T∗=kBT/ε、B2∗=B2/(2πσ3/3),计算得玻意耳温度 TB∗≈3.42。取氩的参数 ε/kB=119.8 K、σ=0.3405 nm(2πNAσ3/3=49.8 cm3/mol):
| T / K | 150 | 273.15 | 298.15 | 400 | 600 | 1000 |
|---|
| B2 / (cm³/mol)(LJ 计算) | −84.6 | −21.5 | −15.8 | −1.0 | 12.2 | 21.1 |
实验值:273.15 K 时约 −21.5 cm³/mol,298 K 时约 −16 cm³/mol,玻意耳温度约 410 K(计算值 409 K),符合得很好。历史上,测量 B2(T) 正是确定分子间势参数的主要方法之一(伦纳德–琼斯,1924):B2 对 u(r) 的形状很敏感,反过来就可以从 B2(T) 推断 u(r)。
左:u(r)/ε;右:B2∗(T∗)迈耶函数 f=e−βu−1 B2∗=B2/32πσ3 T∗ (对数坐标) 氩:T / K—
氩:B2 / cm3mol−1—
图 17.1伦纳德–琼斯势 (P3.9) 与第二位力系数 (17.5)。B2 是迈耶函数乘以 r2 的积分:硬心处 f=−1 给出正的贡献,吸引阱处 f>0 给出负的贡献。低温时吸引占优,B2<0;玻意耳温度 T∗≈3.42 处两者抵消。氩的换算取 ε/kB=119.8 K、σ=0.3405 nm。
§17.4焦耳–汤姆孙效应与转换温度
气体在绝热条件下通过多孔塞(节流),从高压 p1 流到低压 p2。外界对通过的气体做功 p1V1−p2V2,而过程绝热,所以 U2−U1=p1V1−p2V2,即焓不变:H1=H2。节流后温度的变化由焦耳–汤姆孙系数描述。由 (1.12),dH=TdS+Vdp;把 S 看作 (T,p) 的函数,dS=(Cp/T)dT+(∂S/∂p)Tdp,再用麦克斯韦关系 (∂S/∂p)T=−(∂V/∂T)p((1.17)),令 dH=0:
μJT≡(∂p∂T)H=CpT(∂V/∂T)p−V(17.7)
理想气体 V=NkBT/p,分子为零:节流不改变温度。对低压下的实际气体,由 (17.3),NkBTpV≈1+B2VN≈1+kBTB2p,即 V≈pNkBT+NB2(T),于是
μJT≈CpN(TdTdB2−B2)(17.8)
节流降温(μJT>0,压强降低时温度降低)要求 TdB2/dT>B2。对 (17.6),TdB2/dT=a/(kBT),所以 μJT∝kBT2a−b,在转换温度
Tinv=kBb2a=2TB(17.9)
以下节流使气体降温,以上则升温。林德(1895)正是利用这一效应,加上逆流换热,实现了空气的大规模液化。氢与氦的吸引很弱,最高转换温度分别只有约 200 K 与 40 K,必须先预冷到这一温度以下:昂内斯在 1908 年液化氦时,就先用液氢把氦预冷。
§17.5范德瓦尔斯方程的统计推导
现在用平均场近似估算稠密气体的位形积分 QN。设势能由硬心排斥与弱吸引组成(同 §17.3(b)),分别处理两者:
(i) 排斥:可用体积。把分子一个一个放进容器。第 k 个分子不能进入前面 k−1 个分子各自周围体积为 vex=34πσ3 的排除球(两球心距离必须大于 σ),所以它的可用体积约为 V−(k−1)vex(忽略排除球之间的重叠)。于是
lnk=1∏N[V−(k−1)vex]≈NlnV−Vvexk=1∑N(k−1)≈NlnV−2VN2vex≈Nln(V−2Nvex)
(用了 ln(1−x)≈−x。)相当于每个分子的可用体积为 V−Nb,b=vex/2=2πσ3/3,与硬球的 B2 相同。
(ii) 吸引:平均场。假设每个分子周围(硬心以外)的分子数密度处处等于平均密度 n,忽略分子位置之间的关联。一个分子的吸引能为 n∫r>σu(r)d3r=−2an(a 同 (17.6));对所有分子求和并除以 2(每对只算一次),总吸引能为常数 −aN2/V。于是
QN≈(V−Nb)NeβaN2/V(17.10)
F=−kBTlnZ=−NkBT[lnNλ3V−Nb+1]−VaN2(17.11)
p=−(∂V∂F)T,N=V−NbNkBT−V2aN2(17.12)
这就是范德瓦尔斯方程 (P4.5)。在低密度下展开:nkBTp=1−nb1−kBTan=1+n(b−kBTa)+n2b2+⋯,第二位力系数与 (17.6) 一致;但 B3=b2,而硬球的严格值为 85b2:超出第二阶后,范德瓦尔斯方程只是定性正确。
平均场的含义。每个分子在所有其他分子的平均场中运动,分子之间的关联被忽略。同样的思想将在铁磁性(外斯分子场,第18章)、高分子溶液(弗洛里理论,第30章)、超导(BCS 理论)中反复出现。
麦克斯韦作图的统计意义。平均场近似假定密度处处均匀。在 T<Tc 时,(17.11) 给出的每个分子的自由能 f(v)=F/N(v=V/N)在一段区间内是 v 的凹函数:∂2f/∂v2=−∂p/∂v<0,违反稳定性条件 (1.22)。系统可以分成两个均匀部分来降低自由能:比例 x 处于比体积 v1,比例 1−x 处于 v2,xv1+(1−x)v2=v,总自由能为 xf(v1)+(1−x)f(v2)——这正是连接 (v1,f(v1)) 与 (v2,f(v2)) 的弦。所以真正的自由能是 f(v) 的凸包:在两相区内用公切线代替原来的曲线。公切线的两个条件是
- 斜率相等:f′(v1)=f′(v2),即两相压强相等(p=−∂f/∂v);
- 切线经过两个切点:f(v2)−f(v1)=f′(v1)(v2−v1)=−p0(v2−v1),即 f(v1)+p0v1=f(v2)+p0v2,两相化学势相等(μ=G/N=f+pv)。
又 f(v2)−f(v1)=∫v1v2f′dv=−∫v1v2p(v)dv,与第二个条件合起来就是 ∫v1v2[p(v)−p0]dv=0,即等面积规则 (P4.8)。所以,麦克斯韦作图就是对平均场自由能取凸包;两相之间界面的能量正比于 N2/3,在热力学极限下可以忽略。
§17.6临界点附近的范德瓦尔斯气体
用约化变量 (P4.7),令 t=T/Tc−1、ϕ=v/vc−1,在临界点附近展开 pr=3vr−18Tr−vr23。第一项 =1+3ϕ/24(1+t)=4(1+t)(1−23ϕ+49ϕ2−827ϕ3+⋯),第二项 =3(1−2ϕ+3ϕ2−4ϕ3+⋯)(提示 A3),相减得
pr=1+4t−6tϕ−23ϕ3+O(tϕ2,ϕ4)(17.13)
- 临界等温线(t=0):pr−1=−23ϕ3,即 p−pc∝(vc−v)3,记作 δ=3。
- 压缩率(t>0,ϕ=0):∂pr/∂ϕ=−6t,所以 κT=−vc1(∂p∂v)T=6pct1∝t−1,记作 γ=1。
- 共存曲线(t<0):(17.13) 中依赖于 ϕ 的部分 −6tϕ−23ϕ3 是 ϕ 的奇函数,所以等面积的水平线就是 pr=1+4t,共存的两个比体积是 6tϕ+23ϕ3=0 的非零根 ϕ=±2−t(关于 ϕ=0 反对称的曲线,两侧面积自动相等)。于是两相的密度差 nl−ng∝(−t)1/2,记作 β=1/2。
实验上,各种流体在临界点附近的 β≈0.33、γ≈1.24、δ≈4.8。古根海姆(1945)把氖、氩、氪、氙、氮、氧、一氧化碳、甲烷八种物质的共存曲线画在对比变量中,发现它们落在同一条曲线上(对应态原理成立),并且很好地满足 ncnl−ng≈27(1−TcT)1/3:指数接近 1/3 而不是 1/2。范德瓦尔斯方程在临界点附近定性正确,定量上却是错的。这一矛盾是第19、20章的主题。
§17.7对关联函数与液体的结构
定义。任取一个分子,在与它相距 r 处的平均分子数密度记为 ng(r);g(r) 称为对关联函数(径向分布函数)。理想气体 g=1;对任何流体 r→∞ 时 g→1;硬心内 g=0。稀薄极限下,与一个分子相距 r 处出现另一个分子的概率只由这一对分子的相互作用决定(玻尔兹曼因子),所以
g(r)≈e−βu(r)(n→0)(17.14)
在液体中,g(r) 呈现一层层的"配位壳":第一个峰在 r≈σ 附近,简单液体的第一配位壳约有 12 个近邻,往外的振荡逐渐衰减。g(r) 可以由 X 射线或中子衍射测得(第22章)。
能量与压强。由于势能是对势之和,平均势能只依赖于 g(r):⟨∑i<ju(rij)⟩=21∑i⟨∑j=iu(rij)⟩=2N∫u(r)ng(r)d3r,所以
U总=23NkBT+2Nn∫u(r)g(r)d3r(17.15)
压强:把坐标写成 ri=V1/3si(si 在单位立方体中),则 QN=VN∫e−βU(V1/3s)d3Ns。对 V 求导时,∂rij/∂V=rij/(3V),∂U/∂V=∑i<ju′(rij)rij/(3V),于是 p=kBT∂lnQN/∂V=nkBT−3V1⟨∑i<jriju′(rij)⟩,即
p=nkBT−32πn2∫0∞r3u′(r)g(r)dr(17.16)
(称为压强方程或位力方程。)检验:低密度下用 (17.14),u′e−βu=−kBTdrd(e−βu−1),分部积分(边界项为零)得 ∫0∞r3u′e−βudr=3kBT∫0∞r2fdr,代入 (17.16) 即 p=nkBT(1+B2n),与 (17.5) 一致。
由 g(r) 求热力学量的这些公式是液体理论的出发点;计算 g(r) 本身则需要积分方程或数值模拟(第32章),本讲义不展开。
§17.8本章小结
- 经典气体的相互作用只通过位形积分 QN 进入热力学;动能部分永远满足均分定理。
- 第二位力系数 B2=−2π∫(e−βu−1)r2dr;硬心加弱吸引时 B2≈b−a/kBT,由此得到玻意耳温度与焦耳–汤姆孙转换温度 Tinv=2TB。
- 平均场近似给出范德瓦尔斯方程;麦克斯韦作图就是对平均场自由能取凸包。
- 范德瓦尔斯方程给出 β=1/2、γ=1、δ=3,与实验(约 0.33、1.24、4.8)不符。
- 对关联函数 g(r) 描述液体结构,能量与压强都可以用它表示。
自测题
- 方阱势:r<σ 时 u=∞,σ<r<Rσ 时 u=−ε,其余为零。证明 B2=32πσ3[1−(R3−1)(eβε−1)],并求 R=1.5 时的玻意耳温度。[答:kBTB/ε=1/lnR3−1R3≈2.85]
- CO2 的范德瓦尔斯常数 a=0.364 Pam6mol−2、b=4.27×10−5 m3/mol。求 Tc、pc 与转换温度。[答:304 K;7.39 MPa;约 2050 K]
- 对硬球,利用 e−βu 是阶跃函数,由 (17.16) 证明 p=nkBT[1+32πnσ3g(σ+)],其中 g(σ+) 是硬球接触处的对关联函数。[提示:令 y(r)=g(r)eβu(r),它在 r=σ 处连续]
这一篇已记为读完。