材料热力学第三章-统计热力学基础2016年ppt课件.ppt

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1、运用微观研究手段寻找大量粒子集合的统计规律性，并根据所推导的统计规律去阐述宏观体系的热力学定律及某些热力学无法解释的实验规律。第3章统计热力学基础13.1基本概念大量微观粒子构成的宏观系统微观结构和运动→宏观性质宏观现象→宏观性质宏观现象是微观运动的结果宏观现象与微观现象有差别2研究对象:大量微观粒子构成的宏观系统研究方法。从微观结构和微观运动形态出发，利用统计方法来获得物质的各种宏观性质。研究作用:统计热力学是宏观特性与微观性质的桥梁，它弥补了热力学的不足。利用统计热力学方法不需要低温下的实验，就能求得熵函数，其结果甚至比热力学第三定律所得的熵值更准确。3.1基本概念3出发点：1）物质由大量

2、的分子、离子、电子、光子等各种微观粒子构成。2）热现象是大量粒子运动的整体表现，与热现象有关的各种宏观性质可通过对相应微观性质的研究经由统计平均得出。3.1基本概念4独立子系统(Assemblyofindependentparticales):各粒子间除可以产生弹性碰撞外，没有任何相互作用，如理想气体。相倚子系统(Assemblyofinteractingparticales):各粒子间存在相互作用，如真实气体、液体等。离域子系统（等同粒子体系）(Non-localizedsystem):各粒子可在整个空间运动，无法分辨如气体、液体。定域子系统（可辨粒子体系）(Localizedsystem)

3、:各粒子只能在固定位置附近的小范围内运动，可以分辨，如固体。3.1基本概念5体系相空间相空间：描述微观体系中每一粒子的坐标空间例如：确定分子的位置位置空间（X、Y、Z），速度空间（Vx、Vy、Vz），6维相空间。相点：每个粒子在相空间均用一个点表示，即相点。相格：将相空间划分为很小的dxdydzdVxdVydVz体积单元即为相格。3.1基本概念6微观描述：a、e、d处于相格1中，b、c处于相格2中，f处于相格3中.宏观描述：N1=3；N2=2，N3=1结论：宏观性质取决于相格中的点数。3.1基本概念7微观状态数最多的那个状态是最经常出现的，是宏观状态观察到的唯一状态，即最可几微观状态。热力学几

4、率（WD）宏观状态中所包含的微观状态数。举例：（i，j）2个相格，（a、b、c、d）4个相点I相格Ni=43210j相格Nj=01234表明：可能有5种宏观性质。3.1基本概念8如：Ni=3、Nj=1的宏观性质有4种微观状态。Ni=3i相格abcbcdcdadabNj=1j相格dabc1种宏观性质包含微观状态数为4，即WD=4因此，上述例子（i，j）2个相格，（a、b、c、d）4个相点i相格Ni=43210j相格Nj=01234对应的WD=146413.1基本概念91.能级分布一个平衡系统:粒子总数为N热力学能为U体积为V每个粒子的运动状态是确定的3.2.1微观粒子的能量分布简并度：体系的运动

5、状态称为量子态，属于同一能级的不同量子态数称为该能级的简并度。能量是量子化的，但每一个能级上可能有若干个不同的量子状态存在，反映在光谱上就是代表某一能级的谱线常常是由好几条非常接近的精细谱线所构成。量子力学中把能级可能有的微观状态数称为该能级的简并度，用符号gi表示。简并度亦称为统计权重。简并度增加，将使粒子在同一能级上的微态数增加。gi=1无简并度3.2.1微观粒子的能量分布113.2.1微观粒子的能量分布例:某平动能级的试求该能级的简并度。解：nx,ny,nz是平动量子数，nx,ny,nz=1,2,3……，所以当时，只能是2,4,5三个数。所以能级的统计权重（简并度）为：g=3!=6粒子的

6、能级及相应的简并度完全确定的一个含N个粒子的系统在每个能级上分布了一定数目的粒子，分布在能级i上的粒子数ni称为能级i的能级分布数，简称分布数。3.2.1微观粒子的能量分布一套各能级的分布数n0,n1,...,ni,...组成系统的一种能级分布方式，简称能级分布。能级能级简并度粒子分布数3.2.1微观粒子的能量分布一个系统可能有各种不同的能级分布方式，任何能级分布方式都必须同时满足下面两个关系式：在以上两条件限制下，N、U、V确定的平衡系统可以由哪些种能级分布方式是完全确定的。3.2.1微观粒子的能量分布2.状态分布一个能级可能有多个量子状态一个N、U和V确定的平衡系统，分布在某量子状态j的粒

7、子数叫作状态分布数，用nj表示。3.2.1微观粒子的能量分布由各量子状态的状态分布数组成的一套状态分布数表示一种状态分布方式，简称状态分布。量子态的能量:粒子分布数:量子态：3.2.1微观粒子的能量分布一个N、U和V确定的平衡系统会有许多种状态分布方式，但任何一种状态分布方式都服从粒子数守恒和能量守恒。3.2.1微观粒子的能量分布若各能级的简并度均为1时,一种能级分布只对应着一种状态分布若有的能级