Frage:
Beitrag von Schwingungsfreiheitsgraden
Archer
2019-04-18 18:44:18 UTC
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Das Verhältnis $ \ displaystyle \ frac {C_p} {C_v} $ span> für lineare triatomische Moleküle einschließlich des Schwingungsbeitrags ist gegeben durch :?

Versuch:

Wir wissen, dass $ C_v = \ frac {fR} {2} $ und $ C_p = C_v + R $ span>

Daher ist $ \ gamma = 1 + \ frac 2f $ span>

Nun haben wir für $ f $ span>:

  • $ 2 $ span> Rotationsfreiheitsgrade
  • $ 3 $ span> Translationsfreiheitsgrade
  • $ 3N - 5 = 3 \ times 3-5 = 4 $ span> Schwingungsfreiheitsgrade ( Formel hier verfügbar)
  • Also $ f = 2 + 3 + 4 = 9 $ span>

    und $ \ gamma = 1+ \ frac 29 = 1,22 $ span>

    Die Antwort lautet jedoch $ \ gamma = 1.154 $ span>

    Jemand im Chatroom sagte mir, dass jeder Schwingungsfreiheitsgrad tatsächlich einen doppelten Beitrag leistet, sodass wir $ 2 \ times 4 = hätten 8 $ span> Schwingungsfreiheitsgrade und insgesamt $ f = 13 $ span>, was $ \ gamma = ergibt 1,154 $ span>. Dann sehe ich jedoch einen Widerspruch hier. Wenn die Schwingung tatsächlich $ 2 $ span> pro Grad beitragen würde, wäre der Freiheitsgrad von Methan $ 3 + 3 + 2 \ times (3 \) mal 5-6) = 24 $ span> nicht $ 3 + 3 + (3 \ mal 5 - 6) = 15 $ span>.

    Kann jemand bitte die Verwirrung hier beseitigen?

    Jeder Freiheitsgrad trägt $ R / 2 $ bei; Jede Schwingung hat also $ R / 2 $ aus potentieller Energie und das gleiche aus der kinetischen Energie, die insgesamt $ R $ ergibt. Dies basiert auf der Verteilung der Energie und wir addieren $ R / 2 $ für jeden 'quadratischen Term' in der Energie, was die quadratische Geschwindigkeit in der kinetischen Energie als $ mv ^ 2/2 $ und $ x ^ 2 $ im harmonischen Potential bedeutet , $ kx ^ 2/2 $.
    VibrationAL KE ist eine vernünftige Menge bei hohen Temperaturen, die normalerweise bei stp ignoriert wird
    @Chemist, ja das ist wahr, aber was eine "hohe Temperatur" ist, hängt vom Molekül ab, eines mit schweren Atomen wird einige niederfrequente Schwingungen haben, auch Biegeschwingungen sind normalerweise niederfrequent. Die Wärmekapazität hängt dann reibungslos von der Temperatur ab, siehe https://chemistry.stackexchange.com/questions/110944/are-the-vibrational-modes-of-co2-active-at-room-temperature/110947#110947. (Die Partitionsfunktion wird benötigt und berechnet dann $ (\ partielle U / \ partielle T) _V $ vs $ T $.)
    Einer antworten:
    jheindel
    2019-04-29 08:25:06 UTC
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    Sie müssen vorsichtig sein, um zwischen den zur Beschreibung eines Moleküls erforderlichen Koordinaten und den Freiheitsgraden zu unterscheiden, auf die das Molekül tatsächlich zugreifen kann. Zu diesem Zweck könnte man die Anzahl der Freiheitsgrade als die minimale Anzahl von räumlichen Koordinaten definieren, die erforderlich sind, um die Positionen von Atomen relativ zu einem festen Referenzrahmen vollständig zu beschreiben. Dies sind $ 3N $ span> Gesamtkoordinaten, die die andere Antwort bestätigen, die Sie verknüpfen. Wir erkennen dann, dass Bewegung für nichtlineare (lineare) Systeme, Bewegung in sechs (fünf) dieser Koordinaten Translation und Rotation entspricht. Daher beschreiben die anderen $ 3N-6 $ span> -Koordinaten ( $ 3N-5 $ span>) die Schwingungen der System.

    Wenn man sich nun mit der Gesamtenergie eines Systems befasst, sollten wir den Hamilton-Operator verfolgen. In einem klassischen Kontext ist der Hamilton-Operator eine Funktion aller Koordinaten, die Energie in der einen oder anderen Form halten können. $ H (\ mathbf {q}, \ mathbf {p}) $ span>. Für Moleküle bedeutet dies, dass wir die räumlichen Koordinaten von $ 3N $ span>, $ \ mathbf {q} $ span> verfolgen müssen und $ 3N $ span> Impulskoordinaten, $ \ mathbf {p} $ span>.

    Wenn wir nun die durchschnittliche kinetische Energie von Atom 1 in der Richtung $ x $ span> kennen wollen, führen wir einen Ensemble-Durchschnitt

    $$ \ langle T_ {x, 1} \ rangle = \ frac {1} {2m} \ frac {\ int p_ {x, 1} ^ 2e ^ {- \ beta H ( \ mathbf {q}, \ mathbf {p})} d \ mathbf {q} d \ mathbf {p}} {\ int e ^ {- \ beta H (\ mathbf {q}, \ mathbf {p})} d \ mathbf {q} d \ mathbf {p}} $$ span>

    Es ist eine schöne Übung zu zeigen, dass, wenn alle Freiheitsgrade im Hamilton-Operator quadratisch sind, dies über Gaußsche in viele Integrale unterteilt wird und sich oben und unten in allen Koordinaten mit Ausnahme der $ x $ span> Richtung Bewegung von Atom 1. Dieses Integral gibt Ihnen die durchschnittliche Energie als $ 1 / 2kT $ span>.

    Da jedoch das Integral über dem quadratischen Impuls und die quadratische Position wie im harmonischen Potential genau gleich sind, haben wir gerade gezeigt, dass jede Art von Energie, die quadratisch von einer Koordinate abhängt, eine durchschnittliche Energie von $ 1 / 2kT $ span>.

    Wenn wir also ein Teilchen in 1-D haben, das einem harmonischen Potential unterliegt, lautet der Hamilton-Operator $$ H = \ frac {p ^ 2} {2m} + \ frac {1} {2} kx ^ 2 $$ span>

    was bedeutet, dass die durchschnittliche Energie $ kT $ span>, da es zwei Koordinaten gibt, von denen der Hamilton-Operator abhängt auf quadratisch.

    Hoffentlich ist jetzt klar, warum wir uns verdoppeln, um die Schwingungen zu zählen und die Antwort zu erhalten: $$ \ gamma = 1 + \ frac { 2} {13} = 1.154 $$ span>

    Ich weiß, dass dies sehr langwierig und zu detailliert war, aber ich hoffe, dies gibt Ihnen ein etwas besseres Bild davon, woher der Equipartitionstheorem kommt und Wie diese bequeme Zählung von Koordinaten, die wir durchführen, tatsächlich ein Zufall der Tatsache ist, dass ein harmonisches Potential und kinetische Energie in ihren jeweiligen Koordinaten jeweils quadratisch sind.


    Abgesehen davon ist die Unterscheidung zwischen Koordinaten und Freiheitsgraden völlig willkürlich. In der Tat bezeichnen Menschen sowohl ein harmonisches Potential als auch die kinetische Energie oft als quadratische Freiheitsgrade. Ich bevorzuge diese Sprache, aber dann muss man vorsichtig sein, um zwischen Positionsfreiheitsgraden und Impulsfreiheitsgraden zu klären, da dies mehr Koordinaten sind, als zur vollständigen Beschreibung des Systems erforderlich sind. Es scheint also mehr Freiheitsgrade als dort zu geben wirklich sind.



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