统计物理 · 第二部分 统计热力学 · 第 7 章

理想气体的统计热力学:分子配分函数与化学平衡

Statistical Thermodynamics of Ideal Gases: Molecular Partition Functions and Chemical Equilibrium
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目标

计算真实分子气体(含转动、振动、电子激发)的配分函数和热力学函数,解释气体热容随温度的变化,并从分子数据计算标准摩尔熵和化学平衡常数。这是物理化学中"统计热力学"的核心内容。

§7.1分子能量的分解与配分函数的因子化

在良好的近似下(玻恩–奥本海默近似、刚性转子–谐振子近似),一个分子的能量可以分解为彼此独立的几部分(平动、转动、振动、电子、核自旋):

ε=εt+εr+εv+εe+εn(7.1)\varepsilon = \varepsilon_{\mathrm t} + \varepsilon_{\mathrm r} + \varepsilon_{\mathrm v} + \varepsilon_{\mathrm e} + \varepsilon_{\mathrm n} \tag{7.1}

各部分由各自的量子数标记,对分子所有状态求和就是对各组量子数独立求和;与 (4.17) 同理,

q=qt qr qv qe qn≡qt qint(7.2)q = q_{\mathrm t}\,q_{\mathrm r}\,q_{\mathrm v}\,q_{\mathrm e}\,q_{\mathrm n}\equiv q_{\mathrm t}\,q_{\mathrm{int}} \tag{7.2}

代入 (5.7)。只有平动配分函数依赖于体积(qt=V/λ3q_{\mathrm t} = V/\lambda^3),而 1/N!1/N! 来自分子作为整体的不可区分性,因此习惯上把它与平动部分写在一起:

F=−NkBT[ln⁡qtN+1]−NkBTln⁡qint(7.3)F = -Nk_{\mathrm B}T\left[\ln\frac{q_{\mathrm t}}{N} + 1\right] - Nk_{\mathrm B}T\ln q_{\mathrm{int}} \tag{7.3}

推论:

  1. p=−∂F/∂V=NkBT/Vp = -\partial F/\partial V = Nk_{\mathrm B}T/V:无论分子内部结构如何,理想气体物态方程都相同;
  2. UU、CVC_V、SS 都是各部分之和,例如 CV=CV,t+CV,r+CV,v+CV,eC_V = C_{V,\mathrm t} + C_{V,\mathrm r} + C_{V,\mathrm v} + C_{V,\mathrm e};内部自由度的贡献与定域系统形式相同:Uint=−N∂ln⁡qint/∂βU_{\mathrm{int}} = -N\partial\ln q_{\mathrm{int}}/\partial\beta,Sint=NkBln⁡qint+Uint/TS_{\mathrm{int}} = Nk_{\mathrm B}\ln q_{\mathrm{int}} + U_{\mathrm{int}}/T。

§7.2平动

由量子能级直接求和。由 (2.17),qt=(∑n=1∞e−γn2)3q_{\mathrm t} = \left(\sum_{n=1}^\infty e^{-\gamma n^2}\right)^3,其中 γ=βπ2ℏ2/(2mL2)\gamma = \beta\pi^2\hbar^2/(2mL^2)。§2.5 的估计表明 γ∼10−18\gamma\sim10^{-18},被加项随 nn 变化极慢,求和可以换成积分(提示 A10):

∑n=1∞e−γn2≈∫0∞e−γn2dn=12πγ=L2πmkBTh2=Lλ\sum_{n=1}^\infty e^{-\gamma n^2}\approx\int_0^\infty e^{-\gamma n^2}dn = \frac12\sqrt{\frac\pi\gamma} = L\sqrt{\frac{2\pi mk_{\mathrm B}T}{h^2}} = \frac L\lambda

所以

qt=Vλ3,λ=h2πmkBT(7.4)q_{\mathrm t} = \frac{V}{\lambda^3},\qquad \lambda = \frac{h}{\sqrt{2\pi mk_{\mathrm B}T}} \tag{7.4}

与经典相空间积分 (4.22) 完全一致。贡献:Ut=32NkBTU_{\mathrm t} = \frac32Nk_{\mathrm B}T,CV,t=32NkBC_{V,\mathrm t} = \frac32Nk_{\mathrm B},StS_{\mathrm t} 由萨克尔–特多德公式 (3.16) 给出。

§7.3转动(双原子分子)

刚性转子

(详见 §P2.4) 转动惯量为 II 的线形刚性转子,能级为 εJ=J(J+1)ℏ2/(2I)\varepsilon_J = J(J+1)\hbar^2/(2I),J=0,1,2,…J = 0,1,2,\dots,简并度 gJ=2J+1g_J = 2J+1(磁量子数 M=−J,…,JM = -J,\dots,J)。

定义转动特征温度 Θr=ℏ2/(2IkB)\Theta_{\mathrm r} = \hbar^2/(2Ik_{\mathrm B}),则 εJ=J(J+1)kBΘr\varepsilon_J = J(J+1)k_{\mathrm B}\Theta_{\mathrm r},

qr=∑J=0∞(2J+1) e−J(J+1)Θr/T(7.5)q_{\mathrm r} = \sum_{J=0}^\infty(2J+1)\,e^{-J(J+1)\Theta_{\mathrm r}/T} \tag{7.5}

高温(T≫ΘrT\gg\Theta_{\mathrm r}):被加项随 JJ 缓慢变化,换成积分;令 y=J(J+1)y = J(J+1),dy=(2J+1) dJdy = (2J+1)\,dJ:

qr≈∫0∞e−yΘr/Tdy=TΘr(7.6)q_{\mathrm r}\approx\int_0^\infty e^{-y\Theta_{\mathrm r}/T}dy = \frac{T}{\Theta_{\mathrm r}} \tag{7.6}

经典验证。线形转子的取向由极角 θ\theta、方位角 φ\varphi 描述,动能为 I2(θ˙2+sin⁡2θ φ˙2)\frac I2(\dot\theta^2 + \sin^2\theta\,\dot\varphi^2),相应的正则动量为 pθ=Iθ˙p_\theta = I\dot\theta,pφ=Isin⁡2θ φ˙p_\varphi = I\sin^2\theta\,\dot\varphi,哈密顿量 H=pθ22I+pφ22Isin⁡2θ\mathcal H = \frac{p_\theta^2}{2I} + \frac{p_\varphi^2}{2I\sin^2\theta}。两个自由度,按 (2.20) 除以 h2h^2;两个动量积分是高斯积分,分别给出 2πI/β\sqrt{2\pi I/\beta} 与 2πI/β sin⁡θ\sqrt{2\pi I/\beta}\,\sin\theta:

qr经典=1h2∫0πdθ∫02πdφ∫dpθ e−βpθ2/2I∫dpφ e−βpφ2/(2Isin⁡2θ)=1h2⋅2πIβ∫0πsin⁡θ dθ∫02πdφ=8π2IkBTh2=TΘr(7.7)q_{\mathrm r}^{\text{经典}} = \frac{1}{h^2}\int_0^\pi d\theta\int_0^{2\pi}d\varphi\int dp_\theta\,e^{-\beta p_\theta^2/2I}\int dp_\varphi\,e^{-\beta p_\varphi^2/(2I\sin^2\theta)} = \frac{1}{h^2}\cdot\frac{2\pi I}{\beta}\int_0^\pi\sin\theta\,d\theta\int_0^{2\pi}d\varphi = \frac{8\pi^2Ik_{\mathrm B}T}{h^2} = \frac{T}{\Theta_{\mathrm r}} \tag{7.7}

与 (7.6) 一致。

对称数。对同核双原子分子(如 N2\mathrm{N_2}、O2\mathrm{O_2}),两个原子核全同,取向 (θ,φ)(\theta,\varphi) 与 (π−θ,φ+π)(\pi-\theta,\varphi+\pi)(分子转过 180°、两核交换位置)是同一个物理状态。经典积分把它们算了两次,与 N!N! 的道理相同,需要除以对称数 σ=2\sigma = 2(异核分子 σ=1\sigma = 1):

qr=TσΘr(T≫Θr)(7.8)q_{\mathrm r} = \frac{T}{\sigma\Theta_{\mathrm r}}\qquad(T\gg\Theta_{\mathrm r}) \tag{7.8}

(量子力学中,这一因子来自核交换对称性对允许的 JJ 值的限制,高温下平均效果恰为 1/σ1/\sigma;低温下会出现 H2\mathrm H_2 正–仲态之类的量子效应,这里不展开。)高温时 Ur=NkBT2 ∂ln⁡qr/∂T=NkBTU_{\mathrm r} = Nk_{\mathrm B}T^2\,\partial\ln q_{\mathrm r}/\partial T = Nk_{\mathrm B}T,CV,r=NkBC_{V,\mathrm r} = Nk_{\mathrm B}:两个平方项,与均分定理一致。

低温(T≪ΘrT\ll\Theta_{\mathrm r},异核分子):只需保留前两项,qr≈1+3e−2Θr/Tq_{\mathrm r}\approx1 + 3e^{-2\Theta_{\mathrm r}/T},ln⁡qr≈3e−2Θr/T\ln q_{\mathrm r}\approx3e^{-2\Theta_{\mathrm r}/T}(ln⁡(1+x)≈x\ln(1+x)\approx x):

Ur≈NkBT2∂∂T(3e−2Θr/T)=6NkBΘre−2Θr/T,CV,r≈12NkB(ΘrT)2e−2Θr/T→0(7.9)U_{\mathrm r}\approx Nk_{\mathrm B}T^2\frac{\partial}{\partial T}\left(3e^{-2\Theta_{\mathrm r}/T}\right) = 6Nk_{\mathrm B}\Theta_{\mathrm r}e^{-2\Theta_{\mathrm r}/T},\qquad C_{V,\mathrm r}\approx12Nk_{\mathrm B}\left(\frac{\Theta_{\mathrm r}}T\right)^2e^{-2\Theta_{\mathrm r}/T}\to0 \tag{7.9}

转动自由度被"冻结"。

典型数值(近似值):

分子Θr\Theta_{\mathrm r} / KΘv\Theta_{\mathrm v} / K
H2\mathrm H_2856.2×1036.2\times10^3
N2\mathrm N_22.93.4×1033.4\times10^3
O2\mathrm O_22.12.3×1032.3\times10^3
HCl154.2×1034.2\times10^3
I2\mathrm I_20.0543.1×1023.1\times10^2

除 H2\mathrm H_2 等少数轻分子外,室温下 T≫ΘrT\gg\Theta_{\mathrm r},转动可以经典处理;而几乎所有分子都有 T≪ΘvT\ll\Theta_{\mathrm v}。

多原子分子:非线形分子有三个转动自由度,高温下由均分定理得 Ur=32NkBTU_{\mathrm r} = \frac32Nk_{\mathrm B}T。

§7.4振动

把双原子分子的振动近似为频率 ω\omega 的谐振子。以振动基态为能量零点(零点能并入 §7.8 中"共同能量零点"的处理),由 (6.13):

qv=11−e−Θv/T,Θv=ℏωkB(7.10)q_{\mathrm v} = \frac{1}{1 - e^{-\Theta_{\mathrm v}/T}},\qquad \Theta_{\mathrm v} = \frac{\hbar\omega}{k_{\mathrm B}} \tag{7.10}

由 (6.14)–(6.17) 的推导(把 3N3N 换成 NN):

Uv=NkBΘveΘv/T−1,CV,v=NkB(ΘvT)2eΘv/T(eΘv/T−1)2(7.11)U_{\mathrm v} = \frac{Nk_{\mathrm B}\Theta_{\mathrm v}}{e^{\Theta_{\mathrm v}/T} - 1},\qquad C_{V,\mathrm v} = Nk_{\mathrm B}\left(\frac{\Theta_{\mathrm v}}{T}\right)^2\frac{e^{\Theta_{\mathrm v}/T}}{\left(e^{\Theta_{\mathrm v}/T}-1\right)^2} \tag{7.11}

例:N2\mathrm N_2 在 300 K,Θv/T≈11.2\Theta_{\mathrm v}/T\approx11.2,CV,v≈NkB×11.22×e−11.2≈1.7×10−3NkBC_{V,\mathrm v}\approx Nk_{\mathrm B}\times11.2^2\times e^{-11.2}\approx1.7\times10^{-3}Nk_{\mathrm B},可以忽略;要到上千 K 振动才明显激发。这就解释了 §5.5 表中室温 CV,m≈52RC_{V,\mathrm m}\approx\frac52R 的结果。

多原子分子(nn 个原子)有 3n−53n-5(线形)或 3n−63n-6(非线形)个振动简正模(论证同 §6.5),每个模贡献一个形如 (7.11) 的项(各有自己的 Θv\Theta_{\mathrm v})。

§7.5电子与核自旋

电子:以电子基态为零点,qe=g0+g1e−Δε1/kBT+⋯q_{\mathrm e} = g_0 + g_1e^{-\Delta\varepsilon_1/k_{\mathrm B}T} + \cdots。大多数分子的电子激发能为几个 eV(Δε/kB∼104\Delta\varepsilon/k_{\mathrm B}\sim10^4 K),室温下 qe=g0q_{\mathrm e} = g_0(基态简并度),只贡献熵 NkBln⁡g0Nk_{\mathrm B}\ln g_0,不贡献热容。例如 O2\mathrm O_2 的电子基态是三重态,g0=3g_0 = 3。

例外:NO 分子的电子基态因自旋–轨道耦合分裂为两个相距很近的能级,各为二重简并,间隔约为 Δε/kB≈174\Delta\varepsilon/k_{\mathrm B}\approx174 K:

qe=2+2e−Θe/T,Θe≈174 K(7.12)q_{\mathrm e} = 2 + 2e^{-\Theta_{\mathrm e}/T},\qquad \Theta_{\mathrm e}\approx174\ \mathrm K \tag{7.12}

这正是一个两能级系统(两能级简并度相同,热容与 (6.3) 形式相同),在约 70 K 处产生肖特基峰。

核自旋:qn=∏k(2Ik+1)q_{\mathrm n} = \prod_k(2I_k+1)(IkI_k 为各核的自旋),与温度无关,只给熵增加一个常数,并在化学反应中相消,通常略去(习惯上的"标准熵"也不计核自旋熵)。

§7.6双原子理想气体热容随温度的变化

综合以上(异核分子,忽略电子激发):

CVNkB=32+CV,rNkB+(ΘvT)2eΘv/T(eΘv/T−1)2(7.13)\frac{C_V}{Nk_{\mathrm B}} = \frac32 + \frac{C_{V,\mathrm r}}{Nk_{\mathrm B}} + \left(\frac{\Theta_{\mathrm v}}{T}\right)^2\frac{e^{\Theta_{\mathrm v}/T}}{\left(e^{\Theta_{\mathrm v}/T}-1\right)^2} \tag{7.13}

随温度升高,CV/NkBC_V/Nk_{\mathrm B} 呈"台阶"状:

  • T≪ΘrT\ll\Theta_{\mathrm r}:只有平动,32\frac32;
  • Θr≪T≪Θv\Theta_{\mathrm r}\ll T\ll\Theta_{\mathrm v}:平动 + 转动,52\frac52(室温下绝大多数双原子气体);
  • T≫ΘvT\gg\Theta_{\mathrm v}:再加振动,72\frac72(实际上分子往往在此之前已开始解离)。

每个台阶的位置由相应的特征温度决定。经典均分定理只能给出台阶的"高度",量子统计给出了完整的曲线——§5.5 中的困难至此解决。

分子
CV/NkBC_V/Nk_{\mathrm B}
T / K (对数坐标)T\ /\ \mathrm K\ \text{(对数坐标)}
CV/NkBC_V/Nk_{\mathrm B}
—
CV,r/NkBC_{V,\mathrm r}/Nk_{\mathrm B}
—
CV,v/NkBC_{V,\mathrm v}/Nk_{\mathrm B}
—
图 7.1双原子理想气体的热容 (7.13),Θr\Theta_{\mathrm r}、Θv\Theta_{\mathrm v} 取自 §7.3 的表。转动部分由 (7.5) 逐项求和,一律按异核分子计算;同核分子在 T∼ΘrT\sim\Theta_{\mathrm r} 附近还要考虑核自旋(§16.5),曲线在那里只是示意。

§7.7实例:N₂ 的标准摩尔熵

在 T=298.15T = 298.15 K、p∘=1p^\circ = 1 bar 下计算。由 (7.3),摩尔熵是各部分之和。

平动((3.16)):m=28.013m = 28.013 u =4.652×10−26= 4.652\times10^{-26} kg,λ=1.910×10−11\lambda = 1.910\times10^{-11} m,V/N=kBT/p∘=4.116×10−26 m3V/N = k_{\mathrm B}T/p^\circ = 4.116\times10^{-26}\ \mathrm{m^3},ln⁡[V/(Nλ3)]=15.591\ln[V/(N\lambda^3)] = 15.591:

St=R (15.591+2.5)=150.42 J/(mol K)S_{\mathrm t} = R\,(15.591 + 2.5) = 150.42\ \mathrm{J/(mol\,K)}

转动((7.8),σ=2\sigma = 2):高温时 Ur=NkBTU_{\mathrm r} = Nk_{\mathrm B}T,Sr=NkB(ln⁡qr+1)S_{\mathrm r} = Nk_{\mathrm B}(\ln q_{\mathrm r} + 1)。由光谱测得的转动常数换算,Θr≈2.863\Theta_{\mathrm r}\approx2.863 K,qr=298.15/(2×2.863)=52.07q_{\mathrm r} = 298.15/(2\times2.863) = 52.07:

Sr=R (ln⁡52.07+1)=R×4.953=41.18 J/(mol K)S_{\mathrm r} = R\,(\ln52.07 + 1) = R\times4.953 = 41.18\ \mathrm{J/(mol\,K)}

振动:Θv/T≈11.3\Theta_{\mathrm v}/T\approx11.3,Sv=NkB[ln⁡qv+T ∂ln⁡qv/∂T]≈NkB(1+Θv/T) e−Θv/T≈0.001S_{\mathrm v} = Nk_{\mathrm B}[\ln q_{\mathrm v} + T\,\partial\ln q_{\mathrm v}/\partial T]\approx Nk_{\mathrm B}(1 + \Theta_{\mathrm v}/T)\,e^{-\Theta_{\mathrm v}/T}\approx0.001 J/(mol K),可以忽略。

电子:基态不简并,g0=1g_0 = 1,Se=0S_{\mathrm e} = 0。

合计 Sm∘≈191.6S_{\mathrm m}^\circ\approx191.6 J/(mol K),实验值为 191.6 J/(mol K)。

§7.8化学平衡常数

理想气体混合物。若干种分子(种类 ii,数目 NiN_i)组成的理想气体:分子间无相互作用,同种分子不可区分,不同种分子可以区分。与 (4.17)、(4.19) 同理,

Z=∏iqiNiNi!(7.14)Z = \prod_i\frac{q_i^{N_i}}{N_i!} \tag{7.14}

于是 F=−kBT∑i(Niln⁡qi−ln⁡Ni!)F = -k_{\mathrm B}T\sum_i(N_i\ln q_i - \ln N_i!),各组分的化学势与单组分情形 (5.8) 相同:

μi=(∂F∂Ni)T,V,Nj≠i=−kBTln⁡qiNi(7.15)\mu_i = \left(\frac{\partial F}{\partial N_i}\right)_{T,V,N_{j\ne i}} = -k_{\mathrm B}T\ln\frac{q_i}{N_i} \tag{7.15}

总压强 p=kBT ∂ln⁡Z/∂V=∑iNikBT/V≡∑ipip = k_{\mathrm B}T\,\partial\ln Z/\partial V = \sum_iN_ik_{\mathrm B}T/V\equiv\sum_ip_i(道尔顿分压定律,pi=NikBT/Vp_i = N_ik_{\mathrm B}T/V)。由于 qi∝Vq_i\propto V,qi/Vq_i/V 只依赖于 TT。把 (7.15) 改写为

μi=−kBTln⁡(qiV⋅kBTpi)=−kBTln⁡(qiV⋅kBTp∘)⏟μi∘(T)+kBTln⁡pip∘(7.16)\mu_i = -k_{\mathrm B}T\ln\left(\frac{q_i}{V}\cdot\frac{k_{\mathrm B}T}{p_i}\right) = \underbrace{-k_{\mathrm B}T\ln\left(\frac{q_i}{V}\cdot\frac{k_{\mathrm B}T}{p^\circ}\right)}_{\mu_i^\circ(T)} + k_{\mathrm B}T\ln\frac{p_i}{p^\circ} \tag{7.16}

这就证明了 §1.11 中引用的混合理想气体化学势的形式,并给出了 μi∘(T)\mu_i^\circ(T) 的分子表达式。

共同的能量零点。在化学反应中,各物种的能量必须从同一个零点算起(例如取"所有原子分离且静止"为零点)。若 qi(0)q_i^{(0)} 是以物种 ii 自身基态为零点的配分函数,ε0,i\varepsilon_{0,i} 是该基态在共同零点下的能量,则 qi=∑e−β(ε0,i+ε′)=e−βε0,iqi(0)q_i = \sum e^{-\beta(\varepsilon_{0,i} + \varepsilon')} = e^{-\beta\varepsilon_{0,i}}q_i^{(0)}。

平衡常数。把 (7.16) 代入平衡条件 (1.29),与 (1.30) 比较:

K∘(T)=∏i(qi(0)V⋅kBTp∘)νie−Δε0/kBT,Δε0=∑iνiε0,i(7.17)K^\circ(T) = \prod_i\left(\frac{q_i^{(0)}}{V}\cdot\frac{k_{\mathrm B}T}{p^\circ}\right)^{\nu_i}e^{-\Delta\varepsilon_0/k_{\mathrm B}T},\qquad \Delta\varepsilon_0 = \sum_i\nu_i\varepsilon_{0,i} \tag{7.17}

Δε0\Delta\varepsilon_0(乘以 NAN_{\mathrm A} 即 ΔE0\Delta E_0)是 0 K 时的反应能,包含了各分子的零点振动能,可以由光谱测得的解离能得到。例如解离反应 A2⇌2A\mathrm A_2\rightleftharpoons2\mathrm A 的 Δε0=D0\Delta\varepsilon_0 = D_0(从振动基态算起的解离能),

K∘=[qA(0)kBT/(Vp∘)]2qA2(0)kBT/(Vp∘) e−D0/kBTK^\circ = \frac{\left[q_{\mathrm A}^{(0)}k_{\mathrm B}T/(Vp^\circ)\right]^2}{q_{\mathrm A_2}^{(0)}k_{\mathrm B}T/(Vp^\circ)}\,e^{-D_0/k_{\mathrm B}T}

(7.17) 的意义:只要知道分子的质量、转动惯量、振动频率、电子能级简并度和反应能——它们都可以由光谱测量得到——就能计算任意温度下的平衡常数,而无需任何量热测量。

自测题

  1. 同位素交换 H2+D2⇌2 HD\mathrm H_2 + \mathrm D_2\rightleftharpoons2\,\mathrm{HD}。在所有自由度都可经典处理的高温极限下(qr=T/σΘrq_{\mathrm r} = T/\sigma\Theta_{\mathrm r},qv≈T/Θvq_{\mathrm v}\approx T/\Theta_{\mathrm v},忽略零点能之差),利用 mHD2/(mH2mD2)=9/8m_{\mathrm{HD}}^2/(m_{\mathrm H_2}m_{\mathrm D_2}) = 9/8、转动惯量正比于约化质量、ω\omega 正比于约化质量的 −1/2-1/2 次方,证明 K→4K\to4。这个 4 来自哪里?[答:来自对称数 σH2σD2/σHD2=4\sigma_{\mathrm H_2}\sigma_{\mathrm D_2}/\sigma_{\mathrm{HD}}^2 = 4;质量因子的乘积恰好为 1]
  2. 证明 300 K 下 N2\mathrm N_2 分子布居最多的转动能级约为 J=7J = 7。[提示:对 (2J+1)e−J(J+1)Θr/T(2J+1)e^{-J(J+1)\Theta_{\mathrm r}/T} 关于 JJ 求极大]
  3. 由 (7.11) 估计 I2\mathrm{I_2}(Θv≈310\Theta_{\mathrm v}\approx310 K)在 300 K 时的 CV,mC_{V,\mathrm m}。[答:振动贡献约 0.92R0.92R,总计约 3.4R3.4R]