集团展开,即通过计算配分函数求得级数形式的物态方程,用以描述实际气体的一个常用的有效方法。这种方法是由H.D.乌泽耳以及J.E.迈尔夫妇等人建立和发展起来的,它适用于温度不太低或密度不太高的气体系统。
运用集团展开的方法,可把实际气体的压强p展成密度ρ的幂级数,而幂级数的各个系数用
位形空间中的某些积分来表示。
对于粒子间存在相互作用的系统,使用统计方法时最主要的是要计算巨配分函数中的位形积分式中称为经典易
逸度,μ是化学势,k和h分别是玻耳兹曼常数和普朗克常数,T是
热力学温度,UN是N个粒子系统的总势能,uij是两个粒子之间的相互作用势能。当粒子之间的距离rij→∞时,uij比更快地趋于零,而exp(-uij/kT)则变为1。
可得:式中包含了很多项,非常繁复,采用图示法讨论较方便:用圆圈中加数字表示某个粒子,无直线联结的就表示数值1,两圆圈连一直线就表示fij因子,与若干直线对应的是若干个因子fij的积。
例如当N=3时,exp(-U3/kT)的图示法是 对于N个粒子,把相应的乘积开展,会有许多项。在N个点之间不论用直线或不用直线相联,都称为一个图形,exp(-UN/kT)的展开式中的每一项都可以画出相应的图形。在图形中任一点同其他点有直接或间接直线相联的就为一集团。这样,每个集团对应于因子积。每个图形由一个集团或若干个集团组成。exp(-UN/kT)展开式中的每一项都对应于把代表N个粒子的N个点以一定方式分组为若干个集团,若在某种分组中,一个点的集团有m1个,二个点的集团有m2个,…l个点的集团有ml个等等,所有这些ml应满足关系于是,exp(-UN/kT)是同所有满足此式的分组所对应的图形的和。由于各个l个点的集团中联线不同,因此每个exp(-Ul/kT)中还包含若干项,它可表示为同时每个exp(-Ul/kT)对Л个粒子坐标的积分是相同的。由于每一Л点的集团中的Л个粒子可从N个粒子中任选,排列组合满足上式的固定一套{ml}分组的分法共有种。因此,若定义集团积分bl为则可求在固定一套分组{ml}下,对位形积分的贡献:而得到:可见,在研究非理想气体时,可把p/kT按
粒子数密度ρ展成级数,其中各个系数称为各级
维里系数。这个方法同样可以运用于粒子间相互作用多于两体的情形。
J.梅逸、M.G.梅逸著,陈成琳等译:《统计力学》,
高等教育出版社,
北京,1957。(J.Mayer and M.G.Mayer,Statistical Mechanics,Wiley, New York,1946.)
Kerson Huang,Statistical Mechanics, John Wiley & Sons,New York, London,1963.