07章 统计热力学基础
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第七章统计热力学基础一、选择题1、统计热力学主要研究()。
(A) 平衡体系(B)单个粒子的行为案(C) 非平衡体系(D) 耗散结构2、能量零点的不同选择,在下面诸结论中哪一种说法是错误的:( )(A) 影响配分函数的计算数值(B) 影响U,H,F,G 的数值(C) 影响Boltzmann分布数N 的数值(D) 影响能级能量εi的计算数值3、最低能量零点选择不同,对哪些热力学函数值无影响:( )(A) U (B) S (C) G (D) H4、统计热力学研究的主要对象是:()(A) 微观粒子的各种变化规律(B) 宏观体系的各种性质(C) 微观粒子的运动规律(D) 宏观系统的平衡性质5、对于一个U,N,V确定的体系,其微观状态数最大的分布就是最可几分布,得出这一结论的理论依据是:()(A) 玻兹曼分布定律(B) 等几率假设(C) 分子运动论(D) 统计学原理6、以0到9这十个数字组成不重复的三位数共有()(A) 648个(B) 720个(C) 504个(D) 495个7、各种不同运动状态的能级间隔是不同的,对于同一种气体分子,其平动、转动、振动和电子运动的能级间隔的大小顺序是:()(A) t > r > v > e(B) t < r < v < e(C) e > v > t > r(D) v > e > t > r8、在统计热力学中,对物系的分类按其组成的粒子能否被分辨来进行,按此原则:()(A) 气体和晶体皆属定域子体系(B) 气体和晶体皆属离域子体系(C) 气体属离域子体系而晶体属定域子体系(D) 气体属定域子体系而晶体属离域子体系9、对于定域子体系分布X所拥有的微观状态t x为:()(A) (B)(C) (D)10、当体系的U,N,V确定后,则:()(A) 每个粒子的能级 1, 2, ....., i一定,但简并度g1, g2, ....., g i及总微观状态数 不确定。
第七章 统计热力学基础自测题I.选择题1、下列各系统中属于独立子系统的是(d )。
(a )绝对零度的晶体 (b )理想液体混合物(c )纯气体 (d )理想气体混合物2、有6个独立的定位粒子,分布在3个能级能量为 ε0,ε1,ε2上,能级非简并,各能级上的分布数一次为N 0=3,N 1=2,N 2=1。
则此种分布的微观状态数在下列表达式中错误的是(a )。
(a )321631P P P(b)321631C C C (c )6(321)!!!! (d )6313(63)2(32)1(11)!!!!−!!−!!−!3、在分子配分函数的表达式中与压力有关的是(b )。
(a )电子运动的配分函数 (b )平动配分函数(c )转动配分函数 (d )振动配分函数4、某双原子分子AB 取振动基态能量为零,在温度T 时的振动配分函数为2.0,则粒子分布在基态上的分布分数N 0/N 应为(d )。
(a )2.0 (b )0 (c )1 (d )1/25、NH 3分子的平动、转动、振动自由度分别为(d )。
(a )3, 2, 7 (b )3, 2, 6 (c )3, 3, 7 (d )3, 3, 66、双原子分子在温度很低时且选取振动基态能量为零,则振动配分函数值为(b )。
(a )0 (b )1 (c )<0 (d )>07、忽略CO 和N 2振动运动对熵的贡献差别。
N 2和CO 的摩尔熵的大小关系为(a )。
(a )m m 2(CO)(N )S S > (b )m m 2(CO)(N )S S <(c )m m 2(CO)(N )S S = (d )不确定8、一个体积为V ,粒子质量为m 的离域子系统,其最低平动能级和其相邻能级间隔为(b )。
(a )2238h mV (b )22338h mV (c )22348h mV(d )22398h mV Ⅱ.填空题1、 已知CO 的转动惯量I =1.45⨯10−26,k =1.38⨯10−23J ⋅K −1, ,h =6.626⨯10−34J ⋅s,,则CO 的转动特征温度r Θ为_2.78K _。
物理化学电子教案第七章统计热力学基础物理化学教研室【基本概念·基本知识】1、统计热力学系统的分类:独立/非独立粒子系统、可别/不可别粒子系统2、独立粒子系统的分布、最可几分布、平衡态分布3、系统的微观状态4、粒子的配分函数5、转动特征温度,振动特征温度6、焓函数、吉布斯自由能函数7、统计熵、量热熵【基本定律与基本理论】1、等几率假设2、玻兹曼分布定律(推导和表达式的意义)3、Maxwall 速率分布的意义及与平动有关的各种统计平均值4、粒子配分函数与热力学函数的关系5、最低能级能量数值的选取对配分函数的影响6、双原子分子转动、振动、平动的能级公式7、波兹曼公式:ln S k =Ω8、热力学定律的统计解释【基本计算与基本方法】1、独立可别与不可别粒子系统Ω的计算2、用波兹曼分布定律计算简单系统的粒子分布3、单原子分子、双原子分子各种运动形式的配分函数4、单原子及双原子分子各种运动形式对热力学性质的贡献5、分别用配分函数和自由能函数计算简单理想气体反应的平衡常数第一讲:统计热力学概论·Boltzmann 统计一、统计热力学概论(一)、统计热力学的基本任务1、统计热力学的基本任务回 顾:A 、 经典热力学的任务:a )解决某一过程的能量衡算;b )过程的方向判断据; 基础:热力学三定律;优点:着眼与系统的状态而不依赖系统的微观结构,高度可靠; 缺点:无法描述系统的微观结构和微观运动规律B 、统计热力学的任务:用统计学的原理,从系统的微观结构和运动状态出发,揭示系统宏观性质的本质。
物质的宏观性质本质上是微观粒子不停地运动的客观反映,虽然每个粒子都遵守力学定律,但是无法用力学中的微分方程去描述整个系统的运动状态,所以必须用统计学的方法。
根据对物质结构的某些基本假定,以及实验所得的光谱数据,求得物质结构的一些基本常数,如核间距、键角、振动频率等。
利用这些数据可以计算分子配分函数,再根据配分函数求出物质的热力学性质,这就是统计热力学的基本任务。
第七章 统计热力学基础习题详解1. (1) 10个可分辨粒子分布于 n 0=4,n 1=5,n 2=1 而简并度 g 0=1,g 1=2,g 2=3 的 3 个能极上的微观状态数为多少?(2) 若能级为非简并的,则微观状态数为多少?。
解: (1)451D g 123W =N =10=120960451i n i i n ⋅⋅Π⋅⋅!!!!!!(2)D 110W =N ==1260451i n Π⋅⋅!!!!!!2. 某一分子集合在100 K 温度下处于平衡时,最低的3个能级能量分别为 0、2.05×10-22J 和 4.10×-22J ,简并度分别为1、3、5。
计算3个能级的相对分布数 n 0:n 1:n 2。
解:-22-2202.051011.38101001==1:2.593N N e⎛⎞−×⎜⎟⎜⎟××⎝⎠⋅()-22-222.05 4.10101.3810100123==0.6965N e N ⎡⎤−×−⎢⎥××⎢⎥⎣⎦⋅123=1:2.59:3.72N N N ::3. I 2分子的振动能级间隔是0.42×10-20 J ,计算在25℃时,某一能级和其较低一能级上分子数的比值。
已知玻尔兹曼常数k =1.3806×10-23 J·cm -1。
解:根据Boltzmann 分布对于一维谐振子,能级为非简并的,即+1==1i i g g ,因此 I 2分子-201+1-230.4210=exp =exp =0.360T1.380610298i+i i i N g N g k ε⎛⎞−∆−×⎛⎞⎜⎟⎜⎟××⎝⎠⎝⎠4. 一个含有N 个粒子的系统只有两个能级,其能级间隔为ε,试求其配分函数q 的最大可能值是多少?最小值是多少?在什么条件下可能达到最大值和最小值?设ε=0.1 k T 。
第七章 统计热力学基础7.1概述统计热力学是宏观热力学与量子化学相关联的桥梁。
通过系统粒子的微观性质(分子质量、分子几何构型、分子内及分子间作用力等),利用分子的配分函数计算系统的宏观性质。
由于热力学是对大量粒子组成的宏观系统而言,这决定统计热力学也是研究大量粒子组成的宏观系统,对这种大样本系统,最合适的研究方法就是统计平均方法。
微观运动状态有多种描述方法:经典力学方法是用粒子的空间位置(三维坐标)和表示能量的动量(三维动量)描述;量子力学用代表能量的能级和波函数描述。
由于统计热力学研究的是热力学平衡系统,不考虑粒子在空间的速率分布,只考虑粒子的能量分布。
这样,宏观状态和微观状态的关联就转化为一种能级分布(宏观状态)与多少微观状态相对应的问题,即几率问题。
Boltzmann 给出了宏观性质—熵(S)与微观性质—热力学几率(Ω)之间的定量关系:ln S k =Ω。
热力学平衡系统熵值最大,但是通过概率理论计算一个平衡系统的Ω无法做到,也没有必要。
因为在一个热力学平衡系统中,存在一个微观状态数最大的分布(最概然分布),摘取最大项法及其原理可以证明,最概然分布即是平衡分布,可以用最概然分布代替一切分布。
因此,有了数学上完全容许的ln Ω ≈ ln W D,max ,所以,S = k ln W D,max 。
这样,求所有分布的微观状态数—热力学几率的问题转化为求一种分布—最概然分布的微观状态数的问题。
波尔兹曼分布就是一种最概然分布,该分布公式中包含重要概念—配分函数。
用波尔兹曼分布求任何宏观状态函数时,最后都转化为宏观状态函数与配分函数之间的定量关系。
配分函数与分子的能量有关,而分子的能量又与分子运动形式有关。
因此,必须讨论分子运动形式及能量公式,各种运动形式的配分函数及分子的全配分函数的计算。
确定配分函数的计算方法后,最终建立各个宏观性质与配分函数之间的定量关系。
本章7.2主要考点7.2.1统计系统的分类:独立子系统与相依子系统:粒子间无相互作用或相互作用可忽略的系统,称为独立子系统,如理想气体;粒子间相互作用不可忽略的系统,称为相依子系统。