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能量均分定理.doc
能量均分定理
本节根据经典玻耳兹曼分布导出一个重要的定理-----能量均分定理,并应用能量均分定理讨论一些物质系统的热容量。
能量均分定理;对于处在温度为的平衡状态的经典系统,粒子能量中每一个平方项的平均值等于kT。
由经典力学知道粒子的能量是动能和势能之和。动能可以表示为动量的平方项之和 (7.4.1)
其中系数a都是正数,有可能是q,q,…,q的函数,但与p,p,…,p无关,ap的平均值为
由分部积分,得
因为a0,上式第一项为零,故得
(7.4.2)
假如势能中有一部分可表示为平方项
(7.4.3)
其中b都是正数,有可能是的函数,而且式(7.4.1)中的系数也只是的函数,与(7.4.1)无关,则可同样证明 (7.4.4)
这样就证明了,能量中每一个平方项的平均值等于kT。
应用能量均分定理,可以方便得求得一些物质系统的内能和热容量。下面举几个例子。
单分子只有平动,其能量 (7.4.5)
有三个平方项。根据能量均分定理,在温度为T时,但原子分子的平均能量为
单原子分子理想气体的内能为
定容热容量为
由热力学公式,可以求得定压热容量为
因此定压热容量与定容热容量之比为 (7.4.6)
双原子分子的平均能量为
双原子分子气体的内能和热容量为,,
因此定压热容量与定容热容量之比为 (7.4.8)
根据能量均分定理,在温度为T时,一个原子的平均能量为
因此,固体的内能为
定容热容量为 (7.4.10)
要使理论结果与实验结果能更好的比较,需要应用热力学公式
根据能量均分定理,温度为T时,每一振动自由度的平均能量为=kT。所以在体积V内,在d范围内平衡辐射的内能为
(7.4.15)
这结果是瑞利和金斯得到的,称为瑞利---金斯公式。
根据瑞利----金斯公式,在有限温度下平衡辐射的总能量是发散的
(7.4.16)
在热力学部分讲过,平衡辐射的能量与温度的四次方成正比,是一个有限值;
因此式(7.4.16)与实验结果不符。 综上所述,经典统计的能量均分定理既得到一些与实验相符的结果,又有许多结论与实验不符。这些问题在量子理论中得到解决。我们今后将逐个地讨论这些问题。在历史上,普朗克就是在解决平衡辐射的紫外困难时首先提出量子概念的。
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