Файл: Смирнова Н.А. Методы статистической термодинамики в физической химии учеб. пособие.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 205

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Величину ѵг можно назвать конфигурационным интегралом по ячейке.

При отсутствии в

ячейке

внешнего поля, когда

г|) (г)

= 0, vf

= ѵ —

— VIN, свободный

объем

равен объему ячейки,

т. е.

объему,

прихо­

дящемуся на одну частицу. Для реальной системы вблизи границ

ячейки всегда ф (г) >

0 (следствие отталкивания частиц на малых

расстояниях)

;vf<zV/N.

Рассчитать свободный объем можно по форму­

ле (XIII.11),

после

того как найдем потенциал (г), создаваемый

окружением. Результатом расчета будет определение функциональ­

ной зависимости vf (V/N,

Т)

для данной

системы.

 

 

Учитывая выражения (XIII.9) и (XIII.12), статистический инте­

грал

(XIII . 8)

запишем в

виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з_

 

 

 

NX (0)

 

 

 

 

 

 

z

(2ъткТ\2

 

0 v

 

 

e

2 k T

vf

 

 

 

( X I I I . 1 3 )

 

 

 

I

7j2

I

"внутр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

свободной энергии

жидкости

получим

следующее выражение:

 

F^ülM-NkT

 

In

 

( 2кшкТ\

2

Q,внутр

— NkTlnVf.

( X I I I . 14)

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

первом

 

приближении

предполагают,

 

-2v°

 

 

что

межмолекулярные

 

взаимодействия не

 

m о

сказываются на внутренних видах движе­

о

ния

молекулы

(вращение,

колебания), и

величину

<3внутр можно приравнять соответ­

ствующей величине для молекулы

идеаль­

 

 

 

 

ного

газа.

Свойства

 

жидкости,

обуслов­

Рис. 61.

Одномерная

ленные взаимодействием между

частица­

модель ячейки в системе

ми, проявляются через величины х (0) и ьу.

из

твердых

сфер («блуж­

В частности, уравнение состояния жидкос­

дающая» молекула

за­

ти

будет

определено

зависимостью

 

штрихована)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dF

 

_м_(дг(0)

 

)т,

v

 

 

дѴ

Jr. N

 

 

 

~dV~іт, N

 

2

дѴ

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Охарактеризуем кратко некоторые методы оценки величин 1/2JV % (0) и vf. Наиболее простые приближенные соотношения были по­ лучены Эйрингом на основании следующих допущений. При оценке свободного объема предположим, что молекулы представляют твер­ дые шарики, силы притяжения между которыми отсутствуют*. Все молекулы, кроме одной, закрепим в узлах простой кубической решет­ ки. Рассмотрим движение «блуждающей» молекулы вдоль оси х между двумя фиксированными молекулами (рис. 61). Расстояние, на которое

* Это лишь самое грубое приближение, используемое только для оценки свободного объема. Очевидно, однако, что наличие сил притяжения должно быть учтено при оценке величины х(0).

402


может перемещаться центр блуждающей молекулы, равно

• 2а = 2 V V

1

где а — диаметр молекулы; г0 = ѵ3 — расстояние между центрами ячеек (расстояние между ближайшими соседями в кубической решет­

ке).

Аналогичные

выражения

можно

записать

для расстояний Іу

и tz.

Перемножение этих величин дает следующее упрощенное выраже­

ние

для свободного

объема*:

 

 

 

 

 

 

vf=

в ( и 3 —а] .

(XIII.16)

Формулу

( X I I I . 16)

часто записывают в несколько ином виде, вводя

константу

b = 2тс0 а3 /3, которая фигурирует в

уравнении Ван-дер-

Ваал ьса:

 

 

 

 

 

 

 

 

V \ з

/

b \ з

(XIII.17)

 

 

Vf.

 

—0,7816

 

 

 

 

No/

Uo

 

Энергию решетки можно приближенно приравнять изменению внутренней энергии при испарении Д [/ и с п со знаком минус. Согласно Гильдебранду зависимость величины Д і / и с п от температуры и объема жидкости (последний изменяется при изменении температуры и внеш-

него давления) можно представить функцией вида ——— , причем

Ѵп

для многих веществ значение п близко к единице. Положив п ~ 1, запишем:

4 - ^ o X ( 0 ) = - A Î 7 H c n = - - ^ - . ( X I I I . 18)

Подстановка зависимостей ( X I I I . 1 7 ) и

( X I I I . 18) в общую формулу

( X I I I . 15) дает уравнение

состояния

Эйринга:

 

а(Т)

\ ( _

т

~

f

(XIII.19)

р + — ~ — Н Ѵ - 0 . 7 8 1 6 Й

V

J=RT.

Это уравнение по форме близко к уравнению Ван-дер-Ваальса, но исключенный объем здесь не является постоянным, а меняется про­

порционально V . Заметим, что при некоторых дальнейших допущени-

* Приближенный характер формулы (XIII.16) определяется не только тем, что она получена для модели твердых сферических частиц. Даже в случае та­ кой простой модели точное выражение для свободного объема Vf значительно сложнее. Доступный движению частицы объем имеет сложную геометрическую форму. Этотобъем получим, если построим сферы радиуса а с центрами в вершинах куба — элементарной ячейки — и отсечем части куба, попадающие внутрь сфер .

403


ях с помощью уравнения Эйринга можно получить правило

Трутона:

Д S „ c n = А ^ и с п - 20 кал/моль • град,

( X I I I . 2 0 )

' кип

 

где A S „ c n — изменение энтропии при испарении; температура кипения Т к т относится к атмосферному давлению. Правило Трутона прибли­ женно выполняется для неполярных жидкостей; впервые оно было сформулировано путем обобщения данных опыта.

При выводе выражения ( X I I I . 16) для свободного объема были уч­ тены (к тому же очень грубо) только силы отталкивания между части­ цами. Значительно более строгим является метод расчета свободного объема, использованный в теории Леннард-Джонса и Девоншайра.

Дадим краткое описание этого метода. Функция у (г)—сумма потенциалов, создаваемых в ячейке частицами первой координацион­ ной сферы* (по определению). Обозначим: а — радиус первой коор­ динационной сферы (расстояние между ближайшими соседями); z — координационное число. Если молекулы взаимодействуют согласно

потенциалу 6—12, то потенциальная энергия частицы в центре

ячей­

ки будет равна

 

 

 

Х(0)

_2(_^J+ (^y2 j

( Х І

І І . 2 1 )

[см. формулу (Х.26) ]. Расстояние а между ближайшими соседями для заданной модели кристаллической решетки можем найти, зная плот­ ность системы. В общем виде запишем:

 

 

а» = 7»,

 

( X I I I . 2 2 )

где

V = VIN — объем, приходящийся на молекулу; т_ — постоянная,

зависящая от типа решетки. Для простой кубической решетки 2 =

6,

Y =

1, для кубической гранецентрированной** (модель этой

решетки

очень часто используется при расчетах

для жидкостей) z =

12, у

=

= ] / 2 . Наложение

полей, создаваемых

частицами первой координа­

ционной сферы, дает

потенциал ф ( г ) =

х (г)X Ф)> который зависит

не только от расстояния г до центра ячейки, но также и от угловых координат. Чтобы упростить задачу и получить потенциал, зависящий только от г, Леннард-Джонс и Девоншайр заменили дискретное рас-

*В некоторых вариантах теории учитываются также вклады от второй и третьей координационных сфер.

**В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки со­

держатся четыре частицы. Если d — ребро элементарной ячейки, то объем, при­ ходящийся на частицу, равен

 

 

 

 

V

d?

 

 

а

 

 

V ~ N

~

4 '

 

Расстояние

между ближайшими соседями — гипотенуза

равнобедренного

 

 

 

 

 

 

 

d

прямоугольного

треугольника

с катетами

длиной d/2, так

что а — ——

 

 

 

d3

_

 

Уг

Следовательно,

а8

=

=

=

Y2

ѵ.

 

 

 

 

2У2

2 / 2

 

 

 

404


пределение частиц-соседей непрерывным, предположив,

что z час­

тиц «размазаны» равномерно по сфере радиуса а.

В таком

приближе­

нии расчет потенциала ф_ (г) и свободного объема представляет не столь

трудную задачу. Окончательные зависимости vf

{V/N, Т)

включают

параметры потенциала парного взаимодействия для данной системы,

а также параметры z и у рассматриваемой модели решетки. Уравнение

состояния

находят путем подстановки полученных

выражений

для

у (0) и ѵг

в формулу

( X I I I . 15). Теория Леннард-Джонса и Девоншай-

ра дает для различных систем зависимости р V — Т, согласующие­

ся с принципом соответствующих состояний. Кривые рV при низких

температурах

имеют

S-образный ход подобно изотермам Ван-дер-

Ваальса. Согласие величин

RV

по теории

Лен-

х = - о ^ - . рассчитанных

нард-Джонса

и Девоншайра

RI

 

 

с экспериментальными, наиболее удовлет­

ворительно при низких температурах и высоких плотностях. При вы­

соких температурах и низких плотностях расхождения

значительна

больше. Например,

для аргона при

0 °С

и

р = 1330

атм

х э к с п

=

=

2,07,

х р а с ч = 2,10;

при 150 °Си р =

610

атм

х э к с п =

1,25,

Х р а с ч

=

=

1,76.

Естественно, что с увеличением интенсивности теплового дви­

жения частиц квазикристаллическая модель все хуже описывает свой­ ства системы.

Квазикристаллическая модель, очевидно, приписывает жидкости очень высокую степень упорядоченности. Чтобы оценить, сколь ве­ лика может быть обусловленная этим ошибка, посмотрим, что дают формулы теории свободного объема в предельном случае идеального* газа.

Положив VIN

оо; i (0) = 0; ф_ (г) = 0, находим

vf =

VIN*r

формула (XIII.13)

принимает вид

 

 

 

 

( X I I I

.23>

Точное выражение для статистической суммы идеального

газа

 

(см. формулу (XI.7) отличается от выражения (XIП.23) наличием! множителя eN. Энтропия идеального газа, найденная при использо­ вании ячеечной модели, на величину Nk ln е меньше, чем действитель­ ное значение энтропии идеального газа. В этом и сказывается чрезвы­ чайная упорядоченность, кристалличность модели, положенной в ос­ нову теории свободного объема. Формулу (XIII.23) теории свободного объема применительно к идеальному газу можно исправить введением'

множителя

eN. Какая-то

поправка нужна и в случае жидкости, но

это будет

поправка, не

вытекающая из теории свободного объема;

ее следует рассматривать лишь как формальное исправление резуль­ тата. Поправочный множитель обозначим oN и вместо (XIII.13) запи-

4 05


шем:

Очевидно, для кристалла a = 1, для разреженного газа a = e ~ 2,7. О значении параметра a для жидкости теория свободного объема ни­ чего сказать не может. Обычно для жидкости, как и для газа, прини­ мают a = е. Однако это допущение произвольно и может служить дополнительным источником ошибок. Если величина a не зависит от температуры, на средней энергии системы и теплоемкости эта вели­ чина не скажется; в выражении же для энтропии появится дополни­ тельное слагаемое Nk In a, называемое «коллективной энтропией»* (соответственно будут поправочные члены в формулах для свободной энергии).

Дальнейшее развитие решеточных теорий жидкостей было связано с использованием моделей, в которых упорядоченность системы пред­ полагалась не столь высокой, как в случае рассмотренной модели с однократным заполнением ячеек. В частности, были предложены мо­ дели, учитывающие возможность нахождения в ячейке либо одной, либо двух частиц. Но наиболее совершенные варианты решеточных теорий основаны на «дырочных» моделях, согласно которым в решет­ ке имеются занятые и пустые ячейки. Концентрацию дырок в обычных жидкостях при средних температурах оценивают приблизительно в 0,5% от общего числа ячеек, вблизи критической точки — около 50%. Из теории дырок непосредственно вытекает наличие «коллективной энтропии» для жидкостей; необходимость вводить дополнительные поправки к полученным в теории соотношениям отпадает. Однако и теория дырок преувеличивает степень упорядоченности в жидкостях, хотя не столь сильно, как теория ячеек.

§ 3. Молекулярные функции распределения

Рассмотрим систему из N одинаковых молекул, находящихся в объеме V. Предположим, что силы взаимодействия между молекулами центральные. Конфигурацию системы будем определять заданием N векторов г х , . . . , Гм, где гх ~ [хи уь zt) — радиус-вектор і-й частицы (і — 1, ... , Л^). Конец вектора гг может находиться в любой точке внутри объема V. При рассмотрении различных конфигураций системы частицы будем считать различимыми [поправка на неразличимость частиц введена в общее выражение (X 1.5) для статистического интегра-

* Термин «коллективная энтропия», вообще говоря, не очень удачный. Про­ исхождение его связано с тем, что появление поправочного слагаемого Nklne в выражении для энтропии газа обычно объясняют следующим образом: в газе молекулы могут свободно двигаться по всему объему V, тогда как согласно ячеечной модели движение ограничено лишь объемом ѵ. Как показывает стро­ гий анализ приближений, которые приводят к теории свободного объема [фор­ муле (XIII.13) для статистического интеграла], правильнее было бы говорить не об изменении характера движения молекул, а о том обстоятельстве, что мы учитываем лишь упорядоченные конфигурации.

406