流体力学(圆柱管中层流)
1. 列举涉及的重要物理量及其量纲
| 物理量 | 压强差 | 管长 | 半径 | 动力粘度 | 体积流量 |
|---|---|---|---|---|---|
| 符号 | $\Delta P$ | $L$ | $R$ | $\mu$ | $Q$ |
| 量纲 | $\mathrm{ML^{-1}T^{-2}}$ | $\mathrm{L}$ | $\mathrm{L}$ | $\mathrm{ML^{-1}T^{-1}}$ | $\mathrm{L^{3}T^{-1}}$ |
剪切应力 $\tau = \mu\times$ 速度梯度 $\begin{aligned}\left(\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}r}\right)\end{aligned}$, 可类比于摩擦力
2. 通过量纲分析 $Q\propto \Delta P$ (提示: $\begin{aligned}Q\propto \frac{\Delta P}{L}\end{aligned}$)
设
$$ Q \sim \left(\frac{\Delta P}{L}\right)^{a} R^{b} \mu^{c} $$
| 体积流量 | 压强梯度 | 半径 | 动力粘度 | |
|---|---|---|---|---|
| 符号 | $Q$ | $\begin{aligned}\frac{\Delta P}{L}\end{aligned}$ | $R$ | $\mu$ |
| 量纲 | $\mathrm{L^{3}T^{-1}}$ | $\mathrm{ML^{-2}T^{-2}}$ | $\mathrm{L}$ | $\mathrm{ML^{-1}T^{-1}}$ |
这实际形成了一个待解的线性方程组
$$ \begin{aligned} \mathrm{L^{3}T^{-1}} &= \mathrm{(ML^{-2}T^{-2})}^{a} \cdot \mathrm{L}^{b} \cdot \mathrm{(ML^{-1}T^{-1})}^{c}\\ &= \mathrm{M}^{a+c} \mathrm{L}^{-2a+b-c} \mathrm{T}^{-2a-c} \end{aligned} $$
指数比较:
$$ \begin{cases} a + c &= 0 \\ -2a + b - c &= 3 \\ -2a - c &= -1 \end{cases} $$
解得 $a = 1, b = 4, c = -1$. 因此通过量纲分析得到 Poiseuille 定律.
$$ Q \propto \frac{\Delta P}{L} \frac{R^{4}}{\mu} $$
3. 写出约化 navier-stokes 方程, 证明只需求解速度分布 $v(r)$
一般的 Navier-Stokes 方程为
$$ \rho \left(\frac{\partial\vec{v}}{\partial t} + \vec{v}\cdot\nabla\vec{v}\right) = -\nabla P + \mu\nabla^{2}\vec{v} $$
对于圆柱管中的层流, 可以做出以下简化:
- 稳态: $\begin{aligned}\frac{\partial}{\partial t} = 0\end{aligned}$;
- 层流: 湍流项 $\vec{v}\cdot\nabla\vec{v} = 0$;
- 轴对称: $\vec{v} = v(r)\hat{z}$
- 不可压缩流体: $\nabla\cdot\vec{v} = 0$.
因此得到简化后的 Navier-Stokes 方程
$$ 0 = -\frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}z} + \mu\nabla^{2}v $$
柱坐标下,
$$ \nabla^{2} = {\color{red}{\frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}r}\left(r\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}r}\right)}} + \frac{1}{r^{2}}\frac{\mathrm{d}^{2}}{\mathrm{d}\theta^{2}} + \frac{\mathrm{d}^{2}}{\mathrm{d}z^{2}} $$
而该模型下 $\vec{v} = v({\color{red}{r}})\hat{z}$, 因此只需关注红色项.
代入 $\nabla^{2}$ 后:
$$ \begin{aligned} \frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}r}\left(r\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}r}\right) &= \frac{1}{\mu}\frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}z} = -\frac{\Delta P}{\mu L}\\ \text{I:}\quad\Rightarrow r\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}r} &= -\frac{\Delta P}{2\mu L}r^{2} + C_{1}\\ \text{II:}\Rightarrow \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}r} &= -\frac{\Delta P}{2\mu L}r + \frac{C_{1}}{r}\\ \Rightarrow v(r) &= -\frac{\Delta P}{4\mu L}r^{2} + C_{1}\ln r + C_{2} \end{aligned} $$
4. 代入边界条件, 精确解 $v(r)$
边界条件为
- 中心不发散: $C_{1} = 0$;
- 管壁无滑移: $v(R) = 0$
因此
$$ 0 = -\frac{\Delta P}{4\mu L}R^{2} + C_{2} \Rightarrow C_{2} = \frac{\Delta P}{4\mu L}R^{2}\\ \Rightarrow v(r) = \frac{\Delta P}{4\mu L}(R^{2} - r^{2}) $$
5. 精确解 $Q$
$$ \begin{aligned} Q &= \int v\mathrm{d}A = \int_{0}^{R}v(r) 2\pi r\mathrm{d}r = \int_{0}^{R} \frac{\Delta P}{4\mu L}(R^{2} - r^{2}) 2\pi r\mathrm{d}r\\ &= \frac{\Delta P}{4\mu L}2\pi \int_{0}^{R} (R^{2}r - r^{3})\mathrm{d}r = \frac{\Delta P}{4\mu L}2\pi (R^{2}\frac{r^{2}}{2} - \frac{1}{4}r^{4})\Big|_{0}^{R}\\ &= \frac{\Delta P}{4\mu L}2\pi \frac{1}{4}R^{4} = \frac{\pi R^{4}}{8\mu }\frac{\Delta P}{L} \end{aligned} $$
6. 分析精确解 $Q$ 与量纲分析结果的异同
- 量纲分析结果: $\begin{aligned}Q \propto \frac{\Delta P}{L} \frac{R^{4}}{\mu}\end{aligned}$
- 精确解: $\begin{aligned}Q = \frac{\pi R^{4}}{8\mu }\frac{\Delta P}{L}\end{aligned}$
量纲分析得到的解形式和精确解的完全一致, 而精确解则是进一步得出了具体的系数 $\begin{aligned}\frac{\pi}{8}\end{aligned}$.
应力学
1. 图示应力
应力被定义为 "单位面积上的内力", 因此量纲与压强相同:
$$ \vec{t} = \lim_{\Delta A\to 0}\frac{\Delta\vec{F}}{\Delta A} $$
显然 $\vec{t}$ 是和面元 $\Delta A$ 的选取有关的, 后者通常通过其法向量 $\hat{n}$ 和所在位置 $(x,y,z)$ 定义.
接下来研究 $\Delta\vec{F}$ 的方向. 不妨设 $\hat{n}$ 为 $x$ 轴正方向, 则
$$ \begin{aligned} \Delta\vec{F} &= \Delta F_{x}\hat{x} + (\Delta F_{y}\hat{y} + \Delta F_{z}\hat{z})\\ &= \Delta F_{x}\hat{n} + (\Delta F_{y}\hat{y} + \Delta F_{z}\hat{z}) \end{aligned} $$
其中 $\Delta F_{x}\hat{n}$ 为法向分量(normal stress), $\Delta F_{y}\hat{y} + \Delta F_{z}\hat{z}$ 为切向分量(shear stress).
可以将 $\tau_{x}$ 写作这样的形式:
$$ \begin{aligned} \vec{t}_{x} &= \lim_{\Delta A\to 0}\frac{\Delta F_{x}}{\Delta A}\hat{x} + \lim_{\Delta A\to 0}\frac{\Delta F_{y}}{\Delta A}\hat{y} + \lim_{\Delta A\to 0}\frac{\Delta F_{z}}{\Delta A}\hat{z}\\ &= \sigma_{x}\hat{x} + \tau_{xy}\hat{y} + \tau_{xz}\hat{z} \end{aligned} $$
其中 $\sigma_{x}$ 也可写作 $\sigma_{xx}$ 的形式. $\sigma_{ij}$ 即可理解为, 施加在 $i$ 轴面上, 沿着 $j$ 轴的应力分量大小.
以此类推, 可以写出 $\hat{n}$ 为 $\hat{y}$ 和 $\hat{z}$ 时的应力:
$$ \begin{aligned} \vec{t}_{y} &= \tau_{yx}\hat{x} + \sigma_{y}\hat{y} + \tau_{yz}\hat{z}\\ \vec{t}_{z} &= \tau_{zx}\hat{x} + \tau_{zy}\hat{y} + \sigma_{z}\hat{z} \end{aligned} $$
若将所有应力统一记为 $\sigma_{ij}$, 则可得到矩阵:
$$ \mathbf{\sigma} = \begin{bmatrix} \sigma_{xx} & \sigma_{xy} & \sigma_{xz}\\ \sigma_{yx} & \sigma_{yy} & \sigma_{yz}\\ \sigma_{zx} & \sigma_{zy} & \sigma_{zz} \end{bmatrix} $$
因为物体内部需要满足力矩平衡, 因此这是一个对称矩阵, 即满足 $\sigma_{ij} = \sigma_{ji}$.
2. 应力为什么是张量
因为
$$ \vec{t} = \lim_{\Delta A\to 0}\frac{\Delta\vec{F}}{\Delta A} $$
显然 $\vec{t}$ 是和面元 $\Delta A$ 的选取有关的, 后者通常通过其法向量 $\hat{n}$ 和所在位置 $(x,y,z)$ 定义.
即应力和面元的选取有关:
$$ \vec{t}_{i} = \sum_{j}\sigma_{ij}\hat{n}_{j} $$
要求应力同时蕴含面元选取( $i$ 轴) 和应力分量( $j$ 轴)的信息, 因此应力必然会形成一个 $3\times 3$ 的二阶张量(矩阵).
3. 什么时候应力可以简化为压强
压强被定义为
$$ p = \frac{F_{n}}{A} $$
因此只沿面元法向. 既然面元的选取是任意的, 因此压强具有各向同性. 对于一般的流体, 其应力张量为
$$ \sigma_{ij} = -p\delta_{ij} + \tau_{ij} $$
其中 $\tau_{ij}$ 表示剪切应力, 通常是液体的粘性导致的. 因此对于静止(无剪切)流体具有
$$ \mathbf{\sigma} = -p\mathbb{I} = \begin{bmatrix} -p & 0 & 0\\ 0 & -p & 0\\ 0 & 0 & -p \end{bmatrix} $$
因此在各向同性/无剪切的情况下, 应力可以被简化为压强.
材料学
1. 解释杨氏模量
- 应力(stress): $\begin{aligned}\sigma = \frac{F}{A}\end{aligned}$, 即单位面积上承受的力, 量纲和压强相同.
- 应变(strain): $\begin{aligned}\epsilon = \frac{\Delta L}{L}\end{aligned}$, 即长度的相对变化
杨氏模量(Young's modulus)定义为应力与应变的比值: $\begin{aligned}E = \frac{\sigma}{\epsilon}\end{aligned}$.
2. 排序不同材料的杨氏模量(花岗岩, 钢, 橡胶)
$E$ 越大/小, 材料越硬/软.
| 材料 | 杨氏模量 $E$ | 说明 |
|---|---|---|
| 橡胶 | $10^{6}\sim 10^{7}$ Pa | 橡胶是高分子链, 具有构型熵弹性 |
| 花岗岩 | $30\sim 70$ GPa | 花岗岩是离子键和共价键混合, 刚度高但较脆 |
| 钢 | $200$ GPa | 钢是金属键, 刚度高且延展性更好 |
$\boxed{E_{\text{橡胶}} < E_{\text{花岗岩}} < E_{\text{钢}}}$.
3. 解释泊松比, 并说明负泊松比材料
- 轴向应变: $\epsilon_{\parallel}$, 在受力方向上的相对长度变化
- 横向应变: $\epsilon_{\perp}$, 垂直于受力方向上的相对长度变化
泊松比(Poisson's ratio)定义为横向应变与轴向应变的负比值:
$$ \nu = -\frac{\epsilon_{\perp}}{\epsilon_{\parallel}} $$
一般的材料都是如同拉面般, 受拉伸时变细而受压缩时变粗, 即 $\nu > 0$.
单轴拉伸下, 泊松比和体积变化的关系:
$$ \frac{\Delta V}{V} = (1 - 2\nu)\epsilon $$
负泊松比($\nu<0$) 则是指的受拉伸反而变粗, 受压缩反而变细的材料. 这类材料是因为内部具有独特的微观结构, 使得内部的结构单元在受力时产生旋转或者变形, 如 re-entrant honeycomb 结构.
布朗运动
1. 简介布朗运动
布朗运动(Brownian motion)指的是悬浮在液体或气体中的微小颗粒,由于受到周围分子热运动的不断随机撞击而产生的无规则运动。
首先考虑最简单的 1D 模型. 设步长为 $a$, 总步数为 $N = n_{l} + n_{r}$, 则最后位置为 $R = (n_{r}-n_{l})a$ (假定向右为正方向). 向左和向右的概率均为 $1/2$, 因此处于位置 $R$ 的概率为
$$ \begin{aligned} p(R,N) &= \frac{N!}{n_{l}!n_{r}!}\frac{1}{2^{N}} = \frac{N!}{(\frac{Na+R}{2})!(\frac{Na-R}{2})!}\frac{1}{2^{N}}\\ \ln{p} &\approx \ln{\sqrt{\frac{2}{\pi N}}} - \frac{R^{2}}{2Na^{2}}\\ p(R,N) &\approx \sqrt{\frac{2}{\pi N}}\exp{\left(-\frac{R^{2}}{2Na^{2}}\right)} \end{aligned} $$
计算 $\int_{-Na}^{Na}p\mathrm{d}R = 2a$, 因此概率密度需要再归一化:
$$ p(R,N) = \frac{1}{\sqrt{2\pi Na^{2}}}\exp{\left(-\frac{R^{2}}{2Na^{2}}\right)} = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma_{R}^{2}}}\exp{\left(-\frac{R^{2}}{2\sigma_{R}^{2}}\right)} $$
这是一个高斯分布, 均值为 $\bar{R} = 0$, 方差为 $\sigma_{R}^{2} = Na^{2}$.
若将 $N$ 视为时间变量, 即 $t = N\tau$ (其中 $\tau$ 是每一 step 的耗时), 则
$$ \begin{aligned} p(R,t) &= \frac{1}{\sqrt{2\pi ta^{2}/\tau}}\exp{\left(-\frac{R^{2}}{2ta^{2}/\tau}\right)} = \frac{1}{\sqrt{4\pi\frac{a^{2}}{2\tau}t}}\exp{\left(-\frac{R^{2}}{4\frac{a^{2}}{2\tau}t}\right)}\\ &= \frac{1}{\sqrt{4\pi Dt}}\exp{\left(-\frac{R^{2}}{4Dt}\right)}, \quad D = \frac{a^{2}}{2\tau} \end{aligned} $$
连续性方程: $\frac{\partial n(\vec{x},t)}{\partial t} = -\nabla\cdot\vec{j}(\vec{x},t)$; Fick's law: $\vec{j}(\vec{x},t) = -D\nabla n(\vec{x}, t)$
扩散方程: $\frac{\partial n(\vec{x},t)}{\partial t} = D\nabla^{2}n(\vec{x},t)$. $d$ 维解 $n(\vec{x},t) = \frac{N}{(\sqrt{4\pi Dt})^{d}}\exp{\left(-\frac{|\vec{x}|^{2}}{4Dt}\right)}$
$\langle x\rangle = 0$, $\langle x^{2}\rangle = \frac{1}{N}\int_{-\infty}^{+\infty}x^{2}n(\vec{x},t)\mathrm{d}^{d}\vec{x} = 2dDt$.
方差 $\sigma_{x}^{2} = \langle x^{2}\rangle - \langle x\rangle^{2} = 2dDt\sim t$.
均方位移:
$$ \langle x^{2}(t)\rangle = 2Ddt $$
2. 朗之万方程
$$ m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} &= \overset{\text{dissipation}}{-\gamma v} + \overset{\text{fluctuation}}{\xi(t)}, \quad\gamma = 6\pi\eta R\\ \langle \xi(t)\rangle &= 0, \quad \langle \xi(t)\xi(t^{\prime})\rangle = C\delta(t-t^{\prime}) $$
在第三问中, 将具体推导 $\langle \xi(t)\xi(t^{\prime})\rangle = 2\gamma k_{B}T \delta(t-t^{\prime})$.
3. 涨落耗散关系
Langevin 方程两边同乘 $\vec{v}$ 且求期望 $\langle\cdot\rangle$, 有
$$ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \left(\frac{1}{2}M\left\langle v(t)^{2}\right\rangle\right) + \frac{M}{\tau}\left\langle v(t)^{2}\right\rangle = \langle v(t)\xi(t)\rangle,\quad \tau = \frac{M}{\gamma} $$
令动能 $K = \frac{1}{2}M\left\langle v(t)^{2}\right\rangle$, 得到动能形式的 Langevin 方程 $\frac{\mathrm{d}K(t)}{\mathrm{d}t} = \langle v(t)\xi(t)\rangle - \frac{2}{\tau}K(t)$.
稳态下 $\frac{\mathrm{d}K(t)}{\mathrm{d}t}=0$, 根据能均分定理有 $K_{0} = \frac{d}{2}k_{B}T$, 因此 ${\color{red}{\langle v(t)\xi(t)\rangle}} = \frac{2}{\tau}K_{0} = \frac{2}{\tau}\cdot\frac{d}{2}k_{B}T$.
对于等式左边, $d=1$ 时定义辅助变量 $u$ 使得 $v(t) = \exp{\left(-\frac{t}{\tau}\right)}u(t)$, 代入至 Langevin 方程中:
$$ m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} &= -\gamma v + \xi(t)\Rightarrow \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} + \frac{v}{\tau} = \frac{\xi(t)}{M},\quad \tau = \frac{M}{\gamma}\\ v &= ue^{-t/\tau} \Rightarrow \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} = -\frac{1}{\tau} e^{-t/\tau} u + e^{-t/\tau}\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\\ -\frac{1}{\tau} e^{-t/\tau}u &+ e^{-t/\tau}\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} + \frac{1}{\tau} e^{-t/\tau}u = \frac{\xi(t)}{M}\\ \Rightarrow \frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} &= \frac{1}{M}e^{t/\tau}\xi(t)\Rightarrow u(t) = \frac{1}{M}\int_{0}^{t}e^{t^{\prime}/\tau}\xi(t^{\prime})\mathrm{d}t^{\prime}\\ v(t) &= e^{-t/\tau}u(t) = \frac{1}{M}\int_{0}^{t}\mathrm{d}t^{\prime}\exp{\left(-\frac{t-t^{\prime}}{\tau}\right)}\xi(t^{\prime})\\ {\color{red}{\langle v(t)\xi(t)\rangle}} &= \frac{1}{M}\int_{0}^{t} e^{-(t-t^{\prime})/\tau}\langle \xi(t)\xi(t^{\prime})\rangle\mathrm{d}t^{\prime} = \frac{1}{M}\int_{0}^{t} e^{-(t-t^{\prime})/\tau}C\delta(t-t^{\prime})\mathrm{d}t^{\prime} = \frac{1}{M}\frac{C}{2} $$
这里用到了 $\int_{0}^{t}f(t^{\prime})\delta(t-t^{\prime})\mathrm{d}t^{\prime} = \frac{1}{2}f(t)$
于是有
$$ \frac{C}{2M} = \frac{2}{\tau}\frac{1}{2}k_{B}T \Rightarrow \boxed{C = 2\gamma k_{B}T} $$
这就是涨落耗散定理. $\langle\xi(t)\xi(t^{\prime})\rangle = 2\gamma k_{B}T\delta(t-t^{\prime})$ 不是一个先验的假设, 而是通过能均分定理推导出来的.
将方程写作形式 $\frac{\mathrm{d}\vec{v}}{\mathrm{d}t} = -\frac{\vec{v}}{\tau} + \vec{A}(t)$, 其中 $\tau = \frac{M}{\gamma}$, $\vec{A}(t) = \frac{\vec{\xi}(t)}{M}$.
因为 $r^{2} = \vec{r}\cdot\vec{r}$, 所以一阶导 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}r^{2} = 2\vec{r}\cdot\vec{v}$, 也可将其视为 $\vec{r}\cdot\vec{v} = \frac{1}{2}\frac{\mathrm{d}r^{2}}{\mathrm{d}t}$
二阶导 $\frac{\mathrm{d}^{2}}{\mathrm{d}t^{2}}r^{2} = 2v^{2} + 2\vec{r}\cdot\frac{\mathrm{d}\vec{v}}{\mathrm{d}t}$; 所以代入整理系数后的 Langevin 方程, 可得到
$$ \frac{\mathrm{d}^{2}}{\mathrm{d}t^{2}}r^{2} &= 2v^{2} + 2\vec{r}\cdot\frac{\mathrm{d}\vec{v}}{\mathrm{d}t} = 2v^{2} + 2\vec{r} \cdot \left[-\frac{\vec{v}}{\tau} + \vec{A}(t)\right]\\ &= 2v^{2} - \frac{2}{\tau}\vec{r}\cdot\vec{v} + 2\vec{r}\cdot\vec{A}(t) = 2v^{2} - \frac{1}{\tau}\frac{\mathrm{d}r^{2}}{\mathrm{d}t} + 2\vec{r}\cdot\vec{A}(t) $$
整理为形式 $\frac{\mathrm{d}^{2}}{\mathrm{d}t^{2}}r^{2} + \frac{1}{\tau}\frac{\mathrm{d}r^{2}}{\mathrm{d}t} = 2v^{2} + 2\vec{r}\cdot\vec{A}(t)$, 等式两边同时取期望 $\langle\cdot\rangle$, 而 $\langle \vec{r}\cdot\vec{A}(t)\rangle = 0$.
有 $\frac{\mathrm{d}^{2}\langle r^{2}\rangle}{\mathrm{d}t^{2}} + \frac{1}{\tau}\frac{\mathrm{d}\langle r^{2}\rangle}{\mathrm{d}t} = 2\langle v^{2}\rangle$. 根据能均分定理 $d=3$ 时 $\frac{1}{2}M\langle v^{2}\rangle = \frac{3}{2}k_{B}T$, 即 $\langle v^{2}\rangle = \frac{3k_{B}T}{M}$, 代入解得 $\langle r^{2}(t)\rangle = \frac{6k_{B}T\tau^{2}}{M}\left[\frac{t}{\tau} - (1 - e^{-t/\tau})\right]$.
- $t\ll\tau$, 则 $\langle r^{2}\rangle\approx \frac{3k_{B}T}{M}t^{2} = \langle v^{2}\rangle t^{2}$, 即为 ballistic regime, 但是 Langevin 在 $t\to 0$ 时有效性存疑;
- $t\gg\tau$, 则 $\langle r^{2}\rangle\approx \frac{6k_{B}T\tau}{M}t = 6\frac{k_{B}T}{\gamma}t = 2dDt\bigg|_{d=3}$, 即有涨落耗散定理的另一种形式: $\boxed{D = \frac{k_{B}T}{\gamma}}$, 或 Einstein relation.
4. 重力沉降中的 $f(h)$ 概率分布
设竖直向上为正方向, 则朗之万方程形式为
$$ m\frac{\mathrm{d}^{2}h}{\mathrm{d}t^{2}} = -\gamma \frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} - mg + \xi(t) $$
在该模型中, 有意义的解一般考虑布朗粒子处于过阻尼极限(粘滞远大于惯性), 则方程改写为
$$ 0 = -\gamma\frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} - mg + \xi(t)\\ \Rightarrow \frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} = -\frac{mg}{\gamma} + \frac{\xi(t)}{\gamma} $$
若有微分方程
$$ \frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} = A(h) + \eta(t) $$
其中
$$ \langle \eta(t)\eta(t^{\prime})\rangle = 2D\delta(t-t^{\prime}) $$
则概率密度可改写为 Fokker-Planck 方程
$$ \frac{\partial f}{\partial t} = - \frac{\partial (Af)}{\partial h} + D\frac{\partial^{2}f}{\partial h^{2}} $$
一维 Ito SDE(stochastic differential equation, 随机微分方程)为
$$ \mathrm{d}x = A(x)\mathrm{d}t + \sqrt{2D}\mathrm{d}W_{t} $$
$\langle\mathrm{d}W_{t}\rangle = 0$, $\langle(\mathrm{d}W_{t})^{2}\rangle = \mathrm{d}t$.
设概率密度为 $f(x,t)$, 且引入辅助函数 $\phi(x)$, 其期望为
$$ \langle \phi(x)\rangle = \int \phi(x)f(x,t)\mathrm{d}x $$
微元展开:
$$ \mathrm{d}\phi = \phi^{\prime}(x)\mathrm{d}x + \frac{\phi^{\prime\prime}(x)}{2}(\mathrm{d}x)^{2} $$
代入 $\mathrm{d}x = A(x)\mathrm{d}t + \sqrt{2D}\mathrm{d}W$
需要注意到性质 $$ W_{t+\Delta t} - W_{t}\sim \mathcal{N}(0,\Delta t)\Rightarrow \Delta W\sim\sqrt{\Delta t} $$
$$ (\mathrm{d}x)^{2} = (A(x)\mathrm{d}t + \sqrt{2D}\mathrm{d}W)^{2} = 2D\mathrm{d}t $$
于是
$$ \begin{aligned} \mathrm{d}\phi &= \phi^{\prime}(x)A\mathrm{d}t + \phi^{\prime}\sqrt{2D}\mathrm{d}W + D\phi^{\prime\prime}\mathrm{d}t\\ &= \left[A\phi^{\prime} + D\phi^{\prime\prime}\right]\mathrm{d}t + \sqrt{2D}\phi^{\prime}\mathrm{d}W \end{aligned} $$
对两侧取期望, 且注意到 $\langle \mathrm{d}W\rangle = 0$, 因此
$$ \mathrm{d}\langle\phi\rangle = \langle A\phi^{\prime} + D\phi^{\prime\prime}\rangle \mathrm{d}t \Rightarrow \frac{\mathrm{d}\langle\phi\rangle}{\mathrm{d}t} = \langle A\phi^{\prime} + D\phi^{\prime\prime}\rangle $$
将 $\langle \cdot\rangle$ 展开为积分形式 $\int \cdot f\mathrm{d}x$:
$$ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \int\phi f\mathrm{d}x = \int (A\phi^{\prime} + D\phi^{\prime\prime})f\mathrm{d}x $$
使用分部积分:
$$ \begin{aligned} \int A\phi^{\prime}f\mathrm{d}x &= \int Af \mathrm{d}\phi = Af\phi - \int \phi \frac{\partial(Af)}{\partial x}\mathrm{d}x\\ \int D\phi^{\prime\prime}f\mathrm{d}x &= \int Df\mathrm{d}\phi^{\prime} = Df\phi^{\prime} - \int \phi^{\prime}\frac{\partial Df}{\partial x}\mathrm{d}x\\ &= Df\phi^{\prime} - \int \frac{\partial Df}{\partial x}\mathrm{d}\phi = Df\phi^{\prime} - \frac{\partial D f}{\partial x}\phi + \int \phi \frac{\partial^{2}Df}{\partial x^{2}}\mathrm{d}x \end{aligned} $$
假定边界条件为 $0$, 因此化为形式
$$ \int A\phi^{\prime}f\mathrm{d}x = -\int \phi \frac{\partial }{\partial x}(Af)\mathrm{d}x\\ \int D\phi^{\prime\prime}f\mathrm{d}x = \int \phi D\frac{\partial^{2}f}{\partial x^{2}}\mathrm{d}x $$
代回原等式中:
$$ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int\phi f\mathrm{d}x = \int \phi \left[ -\frac{\partial }{\partial x}(Af) + D\frac{\partial^{2}f}{\partial x^{2}} \right]\mathrm{d}x $$
因为对任意 $\phi$ 都成立, 因此
$$ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int\phi f\mathrm{d}x = \int \phi \frac{\partial f}{\partial t}\mathrm{d}x $$
得到 Fokker-Planck 方程
$$ \boxed{\frac{\partial f}{\partial t} = -\frac{\partial }{\partial x}(Af) + D\frac{\partial^{2}f}{\partial x^{2}}} $$
在该模型中,
$$ A = -\frac{mg}{\gamma},\quad D = \frac{k_{B}T}{\gamma} $$
因此 Fokker-Planck 方程为
$$ \frac{\partial f}{\partial t} = \frac{mg}{\gamma} \frac{\partial f}{\partial h} + \frac{k_{B}T}{\gamma}\frac{\partial^{2}f}{\partial h^{2}} $$
在稳态/热平衡下, $\begin{aligned}\frac{\partial f}{\partial t} = 0\end{aligned}$, 即得到 ODE
$$ 0 = \frac{mg}{\gamma} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}h} + \frac{k_{B}T}{\gamma}\frac{\mathrm{d}^{2}f}{\mathrm{d}h^{2}} $$
设辅助函数 $\begin{aligned}u = \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}h}\end{aligned}$, 则方程为
$$ \frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}h} = -\frac{mg}{k_{B}T}u \Rightarrow \frac{\mathrm{d}u}{u} = -\frac{mg}{k_{B}T}\mathrm{d}h \Rightarrow u = Ce^{-\frac{mg}{k_{B}T}h} $$
因此
$$ f(h) = -\frac{Ck_{B}T}{mg}e^{-\frac{mg}{k_{B}T}h} + D $$
代入边界条件 $\begin{aligned}\lim_{h\to\infty}f = 0\end{aligned}$ 得到 $D = 0$.
归一化条件 $\int_{0}^{\infty}f(h)\mathrm{d}h = 1$ 要求解形式为 $\begin{aligned}f(h) = \frac{1}{h_{0}}e^{-h/h_{0}}\end{aligned}$, 其中 $h_{0} = \frac{k_{B}T}{mg}$.
因此
$$ \boxed{f(h) = \frac{mg}{k_{B}T}e^{-\frac{mg}{k_{B}T}h}} $$
Polymer
1. 解释理想链和非理想链, 两者的区别
- 理想链(Ideal chain)
忽略单元间的相互作用而可近似为 random walk 的模型. 设 $N$ 个等长链段 $b$:
$$ \vec{R} &= \sum_{i=1}^{N}\vec{b}_{i},\quad \langle\vec{b}_{i}\cdot\vec{b}_{j}\rangle = b^{2}\delta_{ij}\\ \vec{R}^{2} &= \vec{R}\cdot\vec{R} = \left(\sum_{i=1}^{N}\vec{b}_{i}\right)\cdot\left(\sum_{j=1}^{N}\vec{b}_{j}\right) = \sum_{i=1}^{N}\sum_{j=1}^{N}\vec{b}_{i}\cdot\vec{b}_{j}\\ \langle R^{2}\rangle &= \sum_{i=1}^{N}\sum_{j=1}^{N}\langle \vec{b}_{i}\cdot\vec{b}_{j}\rangle = \sum_{i=1}^{N}\sum_{j=1}^{N} b^{2}\delta_{ij} = Nb^{2} $$
因此 $R\sim N^{1/2}$.
- 非理想链(Non-ideal chain)
单元存在排斥体积(self-avoidance), 单元之间不能重叠, 存在相互排斥作用. 因此相较于理想链, 半径将会修正为
$$ R\sim bN^{\nu} $$
其中 $\nu$ 被称作 Flory 指数, 其具体大小和 Polymer 所处的溶剂环境有关.
2. 3D 随机游走模型及其熵
已得 1D random walk 形式为
$$ p(R_{i},N_{i}) = \frac{1}{\sqrt{2\pi N_{i}a^{2}}}\exp{\left(-\frac{R_{i}^{2}}{2N_{i}a^{2}}\right)} $$
研究 Ideal chain 的熵弹性. 熵变被定义为 Boltzmann 熵差
$$ \Delta S = k_{B}\ln{\Omega(N,x)} - k_{B}\ln{\Omega(N,0)} = k_{B}\ln{\frac{p(N,x)}{p(N,0)}} = -\frac{1}{2}\frac{k_{B}}{Na^{2}}x^{2} $$
自由能变
$$ \Delta G = \Delta U - T\Delta S = \frac{1}{2}\frac{k_{B}T}{Na^{2}}x^{2} $$
因此熵弹性力为
$$ f = \frac{\partial G(N,x)}{\partial x} = \frac{k_{B}T}{Na^{2}}x $$
热力学快速回顾:
焓 $H \equiv U + pV$, Helmholtz 自由能 $F \equiv U - TS$, Gibbs 自由能 $G\equiv H-TS = U - TS + pV$
推广至 3D 模型时, 则可将其视为三个独立的 1D 模型的叠加:
$$ \vec{R} = (R_{x}, R_{y}, R_{z}),\quad p(\vec{R}) = p(R_{x})p(R_{y})p(R_{z}) $$
由于 $N$ 充分大, 我们可以近似 $N_{x} = N_{y} = N_{z} = N/3$, 因此
$$ p(\vec{R},N) = p\left(R_{x}, \frac{N}{3}\right)p\left(R_{y}, \frac{N}{3}\right)p\left(R_{z}, \frac{N}{3}\right) = \left(\frac{3}{2\pi Na^{2}}\right)^{3/2}\exp{\left(-\frac{3R^{2}}{2Na^{2}}\right)} $$
类似地, 熵变为 Boltzmann 熵差
$$ \Delta S = k_{B}\ln{\frac{p\left(\vec{R},N\right)}{p\left(\vec{0},N\right)}} = -\frac{3}{2}\frac{k_{B}}{Na^{2}}R^{2} $$
自由能为 $F = U - TS$, 因为 $(U, T, P)$ 不变, 所以能变
$$ \Delta F = - T\Delta S = \frac{3}{2}\frac{k_{B}T}{Na^{2}}R^{2} $$
熵弹性力
$$ f = 3 \frac{k_{B}T}{Na^{2}}R $$
3. Flory 理论
描述 non-ideal chain 的理论. 相比 ideal chain 引入了单元间的体积作用, 因此自由能中存在 "熵弹性" 和 "体积排斥" 两部分的竞争.
- Entropic elasticity:
$$ F_{\text{elastic}} = \frac{3}{2}\frac{k_{B}T}{Na^{2}}R^{2} $$
链被拉长($R\uparrow$) 时, 构型数减少;
- Excluded volume:
单元的数密度为 $\begin{aligned}n\sim \frac{N}{R^{3}}\end{aligned}$, 引入排斥体积参数 $v$, 则体积排斥能密度 $\sim v n^{2}$. 将能密度在空间上积分, 则总共的体积排斥能写作
$$ F_{\text{int}}\sim k_{B}T v n^{2}R^{3} \sim k_{B}T v\frac{N^{2}}{R^{3}} $$
因此总的自由能为两者之和:
$$ F(R) \sim k_{B}T \left( \frac{R^{2}}{Na^{2}} + v\frac{N^{2}}{R^{3}} \right) $$
为了使得自由能最小, 熵弹性倾向于令 $R\downarrow$, 而体积排斥倾向于令 $R\uparrow$.
求偏导以求得极小值:
$$ \frac{\partial F}{\partial R} = k_{B}T \left( \frac{2R}{Na^{2}} - 3v\frac{N^{2}}{R^{4}} \right) = 0 \Rightarrow R \sim aN^{3/5} $$
可将上式进一步抽象为 $R\sim aN^{\nu}$, 其中 $\nu$ 被称作 Flory 指数. 需要注意的是不同维度下 Flory 指数也不同. 例如 1D 下 $\nu = 1$, 2D 下 $\nu = 3/4$. 3D 下 $\nu$ 的精确解约为 $\nu\approx 0.588$.
4. 将理想链溶解, 溶剂和温度对其的影响
溶剂和温度会影响排斥体积参数 $v$. 根据单体和溶剂的亲和性, 可将溶剂进行分类:
- Good solvent(好溶剂): 单体和溶剂亲和, 从而体现出链单元间的排斥作用, $v>0$. 此时尺度为上面的 self-avoiding walk 解:
$$ R\sim aN^{3/5} $$
- Theta solvent($\theta$ 溶剂): 吸引和排斥相互抵消, $v=0$. 在 $\theta$ 溶剂中聚合物表现为理想链(random walk):
$$ R\sim aN^{1/2} $$
- Poor solvent(差溶剂): 单体和溶剂不亲和, 因此单体更倾向于相互接触, $v < 0$. 此时链会发生 "collapse(塌缩)" 现象, 即可将聚合物视为致密球体. 此时回过头检查自由能式,
$$ F(R)\sim k_{B}T \left( \frac{R^{2}}{Na^{2}} - |v|\frac{N^{2}}{R^{3}} \right) $$
当 $R\downarrow$ 时, $F\rightarrow -\infty$, 这显然是荒谬的. 引入三体排斥项 $\iiint wn^{3}\mathrm{d}R$, 则 Flory 自由能为
$$ \begin{aligned} F(R) &\sim k_{B}T \left( \frac{R^{2}}{Na^{2}} - |v|\frac{N^{2}}{R^{3}} + w\frac{N^{3}}{R^{6}} \right) \\ &\approx k_{B}T \left( - |v|\frac{N^{2}}{R^{3}} + w\frac{N^{3}}{R^{6}} \right) \end{aligned} $$
因为聚合物塌缩为球状($R\rightarrow 0$), 因此忽略熵弹性项 $R^{2}$.
求偏导以求极小值:
$$ \frac{\partial F}{\partial R} = k_{B}T \left( 3|v|\frac{N^{2}}{R^{4}} - 6w\frac{N^{3}}{R^{7}} \right) = 0\\ \Rightarrow R^{3}\sim \frac{2w}{|v|}N \Rightarrow R\sim N^{1/3} $$
也可以理解为, 因为聚合物形成致密球体, 此时密度约为常数, 即 $\rho\sim\frac{N}{R^{3}}\approx \text{const}$, 从而推测 $R^{3}\propto N\Rightarrow R\propto N^{1/3}$.
设两种聚合物混合, 分子链数分别为 $n_{1}$ 和 $n_{2}$, 聚合度分别为 $N_{1}$ 和 $N_{2}$. 混合物总格点数 $M = n_{1}N_{1} + n_{2}N_{2}$.
接下来求解两聚合物在分离和混合下的状态数.
${\color{red}{错误的推导过程}}$
$$ \begin{aligned} \Omega_{\text{sep}} &= \Omega_{1}\Omega_{2} = \frac{(n_{1}N_{1})!}{(N_{1}!)^{n_{1}}n_{1}!}\cdot \frac{(n_{2}N_{2})!}{(N_{2}!)^{n_{2}}n_{2}!}\\ \Omega_{\text{mix}} &= \frac{M!}{(N_{1}!)^{n_{1}}(N_{2}!)^{n_{2}}n_{1}!n_{2}!} \end{aligned} $$
- I-聚合物占据总格点为 $n_{1}N_{1}$, 第一个单体有 $n_{1}N_{1}$ 个选择, 第二个单体有 $(n_{1}N_{1}-1)$ 个选择...因此在可区分条件下共有 $(n_{1}N_{1})!$ 种状态;
- 对于单独一条 I-链, 占据格点数为 $N_{1}$, 而在链内单体间是不可区分的, 因此需要除掉 $N_{1}!$; 又因为一共有 $n_{1}$ 条链, 因此由链内单体不可区分引起的因子为 $(N_{1}!)^{n_{1}}$;
- 由于链与链间不可区分, 因此还需除去其因子 $(n_{1}!)$.
上面这些说得很有道理, 但是错在忽略了这是
聚合物的混合, 同一分子的单体需要彼此相连, 因此单体的位置不能是任意的! 聚合物分子这个整体才是可以自由换位置的.
设该混合晶格的配位数为 $z$. 现在将聚合度为 $N$ 的链放入已经有 $x$ 个格点被占据的晶格中.
- 第 1 单体: 可以放在任意一个空位上, 因此选择数为 $M-x$;
- 第 2 单体: 只能放在第 1 单体的配位格点, 此时空间中空格点的平均概率为 $\begin{aligned}p = \frac{M-x}{M}\end{aligned}$. 因此选择数为 $\begin{aligned}zp = z\frac{M-x}{M}\end{aligned}$;
- 第 $3-N$ 单体: 由于自体积排斥, 后续可选的格点数为 $\begin{aligned}(z-1)p = (z-1)\frac{M-x}{M}\end{aligned}$;
因此, 放入该链的选择数 $\nu$ 为
$$ \nu = (M-x) \cdot \left[z\frac{M-x}{M}\right] \cdot \left[(z-1)\frac{M-x}{M}\right]^{N-2}\overset{z\approx z-1}{\simeq} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{N-1}(M-x)^{N} $$
证明近似 $\begin{aligned}(M-x)^{N}\approx\frac{(M-x)!}{(M-x-N)!}\end{aligned}$. 展开等式右边:
$$ \begin{aligned} \frac{(M-x)!}{(M-x-N)!} = (M-x)(M-x-1)(M-x-2)\cdots [M-x-(N-1)]\\ = (M-x)^{N}\left[ 1\cdot \left(1 - \frac{1}{M-x}\right)\left(1 - \frac{2}{M-x}\right) \cdots\left(1 - \frac{N-1}{M-x}\right) \right] \end{aligned} $$
由于 $M\gg N$, 因此 $\begin{aligned}1 - \frac{k}{M-x}\to 1\end{aligned}$
若将 $M-x$ 视为整体 $M$, 该近似公式也可写作 $\begin{aligned}\frac{M!}{(M-N)!} \approx M^{N}\end{aligned}$
采用近似 $\begin{aligned}(M-x)^{N}\approx\frac{(M-x)!}{(M-x-N)!}\end{aligned}$, 第 $i$ 条放入聚合度为 $N$ 链的方法数为
$$ \nu_{i} = \left[\frac{z-1}{M}\right]^{N-1}\frac{(M-x_{i})!}{(M-x_{i}-N)!} $$
- 分离状态 ( I-链和 II-链各自占据自己纯物质的晶格)
对于 I-链, 总晶格数为 $M_{1} = n_{1}M_{1}$, 需往空晶格(初始 $x_{1}=0$) 放入 $n_{1}$ 条 I-链. 被占格点数 $x_{i} = (i-1)N $. 引入链的不可区分性因子 $\begin{aligned}\frac{1}{n_{1}!}\end{aligned}$, 得到总方法数为
$$ \begin{aligned} \Omega_{1} &= \frac{1}{n_{1}!}\prod_{i=1}^{n_{1}}\nu_{1,i} = \frac{1}{n_{1}!}\prod_{i=1}^{n_{1}}\left[\frac{z-1}{M_{1}}\right]^{N_{1}-1}\frac{[M-(i-1)N]!}{(M_{1}-iN_{1})!}\\ &= \frac{1}{n_{1}!}\left[\frac{z-1}{M_{1}}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)}\prod_{i=1}^{n_{1}}\frac{[M-(i-1)N]!}{(M_{1}-iN_{1})!}\\ &= \frac{1}{n_{1}!}\left[\frac{z-1}{M_{1}}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)} \frac{M_{1}!}{(M_{1}-N_{1})!} \frac{(M_{1}-N_{1})!}{(M_{1}-2N_{1})!}\cdots \frac{N_{1}!}{0!}\\ &= \frac{M_{1}!}{n_{1}!}\left[\frac{z-1}{M_{1}}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)} \end{aligned} $$
II-链同理可得 $\begin{aligned}\Omega_{2} = \frac{M_{2}!}{n_{2}!}\left[\frac{z-1}{M_{2}}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)}\end{aligned}$, 分离状态下的总状态数为
$$ \begin{aligned} \Omega_{\text{sep}} &= \Omega_{1}\Omega_{2} = \frac{M_{1}!}{n_{1}!}\left[\frac{z-1}{M_{1}}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)} \frac{M_{2}!}{n_{2}!}\left[\frac{z-1}{M_{2}}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)}\\ &= \frac{M_{1}!M_{2}!}{n_{1}!n_{2}!} \left[\frac{z-1}{M_{1}}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)} \left[\frac{z-1}{M_{2}}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)} \end{aligned} $$
- 混合状态. 现在晶格总数为 $M = n_{1}N_{1} + n_{2}N_{2}$. 前面已经推导出, $M$ 总格点数中已有 $x$ 格点被占, 放入 $N$ 聚合度链的方法数 $\nu$ 为
$$ \nu(x,N) = \left[\frac{z-1}{M}\right]^{N-1}\frac{(M-x)!}{(M-x-N)!} $$
- 填入 $n_{1}$ 条 I-链. 对于第 i 条被填入的 I-链, 已被占格点数 $x_{1,i}=(i-1)N_{1}$. 那么填入该 (I,i) 链的方法数为
$$ \nu_{1,i} = \left[\frac{z-1}{M}\right]^{N_{1}-1}\frac{[M-(i-1)N_{1}]!}{(M-iN_{1})!} $$
引入 I-链不可区分性的因子 $\begin{aligned}\frac{1}{n_{1}!}\end{aligned}$, 填入这 $n_{1}$ 条 I-链的总方法数为
$$ \begin{aligned} W_{1} &= \frac{1}{n_{1}!}\prod_{i=1}^{n_{1}}\nu_{1,i} = \frac{1}{n_{1}!}\prod_{i=1}^{n_{1}} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{N_{1}-1} \frac{[M-(i-1)N_{1}]!}{(M-iN_{1})!}\\ &= \frac{1}{n_{1}!} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)} \prod_{i=1}^{n_{1}} \frac{[M-(i-1)N_{1}]!}{(M-iN_{1})!}\\ &= \frac{1}{n_{1}!} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)} \frac{M!}{(M-N_{1})!} \frac{(M-N_{1})!}{(M-2N_{1})!}\cdots \frac{[M-(n_{1}-1)N_{1}]!}{(M-n_{1}N_{1})!}\\ &= \frac{1}{n_{1}!}\left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)}\frac{M!}{(M-n_{1}N_{1})!} \end{aligned} $$
- 继续填入 $n_{2}$ 条 II-链. 此时 I-链已经占据 $n_{1}N_{1}$ 个格点. 所以对于放入的第 $j$ 条 II-链, 已被占据的格点数为 $x_{2,j} = n_{1}N_{1} + (j-1)N_{2}$, 填入 (II,j) 链的方法数为
$$ \nu_{2,j} = \left[\frac{z-1}{M}\right]^{N_{2}-1}\frac{[M-n_{1}N_{1}-(j-1)N_{2}]!}{(M-n_{1}N_{1}-jN_{2})!} $$
引入 II-链的不可区分性因子 $\begin{aligned}\frac{1}{n_{2}!}\end{aligned}$, 那么填入这 $n_{2}$ 条 II-链的总方法数为
$$ \begin{aligned} W_{2} &= \frac{1}{n_{2}!}\prod_{j=1}^{n_{2}}\nu_{2,j} = \frac{1}{n_{2}!}\prod_{j=1}^{n_{2}} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{N_{2}-1}\frac{[M-n_{1}N_{1}-(j-1)N_{2}]!}{(M-n_{1}N_{1}-jN_{2})!}\\ &= \frac{1}{n_{2}!} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)}\prod_{j=1}^{n_{2}}\frac{[M-n_{1}N_{1}-(j-1)N_{2}]!}{(M-n_{1}N_{1}-jN_{2})!}\\ &= \frac{1}{n_{2}!} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)} \\ &\times \frac{(M-n_{1}N_{1})!}{(M-n_{1}N_{1}-N_{2})!} \frac{(M-n_{1}N_{1}-N_{2})!}{(M-n_{1}N_{1}-2N_{2})!}\cdots \frac{[M-n_{1}N_{1} - (n_{2}-1)N_{2}]!}{(M-n_{1}N_{1}-n_{2}N_{2})!}\\ &= \frac{1}{n_{2}!} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)} \frac{(M-n_{1}N_{1})!}{(M-n_{1}N_{1}-n_{2}N_{2})!} \\ &= \frac{1}{n_{2}!} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)} \frac{(M-n_{1}N_{1})!}{0!} \end{aligned} $$
于是混合状态下的方法数为
$$ \begin{aligned} \Omega_{\text{mix}} &= W_{1}W_{2} \\ &= \frac{1}{n_{1}!}\left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)}\frac{M!}{(M-n_{1}N_{1})!} \frac{1}{n_{2}!} \left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)} \frac{(M-n_{1}N_{1})!}{0!}\\ &= \frac{M!}{n_{1}!n_{2}!}\left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{1}(N_{1}-1) + n_{2}(N_{2}-1)} \end{aligned} $$
混合熵被定义为 Boltzmann 熵变化量 $\begin{aligned}\Delta S = k_{B}\ln{\left(\frac{\Omega_{\text{mix}}}{\Omega_{\text{sep}}}\right)}\end{aligned}$, 而
$$ \frac{\Omega_{\text{mix}}}{\Omega_{\text{sep}}} = \frac{\frac{M!}{n_{1}!n_{2}!}\left[\frac{z-1}{M}\right]^{n_{1}(N_{1}-1) + n_{2}(N_{2}-1)}}{\frac{M_{1}!M_{2}!}{n_{1}!n_{2}!} \left[\frac{z-1}{M_{1}}\right]^{n_{1}(N_{1}-1)} \left[\frac{z-1}{M_{2}}\right]^{n_{2}(N_{2}-1)}} = \frac{M!}{M_{1}!M_{2}!}\frac{M_{1}^{n_{1}(N_{1}-1)}M_{2}^{n_{2}(N_{2}-1)}}{M^{n_{1}(N_{1}-1) + n_{2}(N_{2}-1)}} $$
两边同取对数, 且使用 Stirling 近似 $\ln{X!}\approx X\ln{X} - X$, 第一项
$$ \begin{aligned} \ln{\frac{M!}{M_{1}!M_{2}!}} &\approx M\ln{M} - M - M_{1}\ln{M_{1}} + M_{1} - M_{2}\ln{M_{2}} + M_{2} \\ &= M\ln{M} - M_{1}\ln{M_{1}} - M_{2}\ln{M_{2}}\\ &= (M_{1}+M_{2})\ln{M} - M_{1}\ln{M_{1}} - M_{2}\ln{M_{2}}\\ &= -M_{1}\ln{\left(\frac{M_{1}}{M}\right)} - M_{2}\ln{\left(\frac{M_{2}}{M}\right)} \end{aligned} $$
第二项
$$ \begin{aligned} \ln{\left(\frac{M_{1}^{n_{1}(N_{1}-1)}}{M^{n_{1}(N_{1}-1)}}\frac{M_{2}^{n_{2}(N_{2}-1)}}{M^{n_{2}(N_{2}-1)}}\right)} &= n_{1}(N_{1}-1)\ln{\left(\frac{M_{1}}{M}\right)} + n_{2}(N_{2}-1)\ln{\left(\frac{M_{2}}{M}\right)}\\ &= (M_{1}-n_{1}) \ln{\left(\frac{M_{1}}{M}\right)} + (M_{2}-n_{2})\ln{\left(\frac{M_{2}}{M}\right)} \end{aligned} $$
约定体积分数为 $\phi_{i}$ 聚合物占据格点数 $N_{i}$ 与总格点数 $M$ 之比, 即 $\begin{aligned}\phi_{1} = \frac{M_{1}}{M} = \frac{n_{1}N_{1}}{M}\end{aligned}$, $\begin{aligned}\phi_{2} = \frac{M_{2}}{M} = \frac{n_{2}N_{2}}{M} = 1- \phi_{1}\end{aligned}$. 于是混合熵为
$$ \begin{aligned} \frac{\Delta S_{\text{mix}}}{k_{B}} &= -M_{1}\ln{\phi_{1}} - M_{2}\ln{\phi_{2}} + (M_{1}-n_{1}) \ln{\phi_{1}} + (M_{2}-n_{2})\ln{\phi_{2}}\\ &= - n_{1}\ln{\phi_{1}} - n_{2}\ln{\phi_{2}}\\ &= M\left[ - \frac{\phi_{1}}{N_{1}}\ln{\phi_{1}} - \frac{\phi_{2}}{N_{2}}\ln{\phi_{2}} \right] \end{aligned} $$
单位格点的混合熵为
$$ \begin{aligned} \frac{1}{M}\frac{\Delta S_{\text{mix}}}{k_{B}} = \boxed{\frac{\Delta\bar{S}_{\text{mix}}}{k_{B}} = -\frac{\phi_{1}}{N_{1}}\ln{\phi_{1}} - \frac{\phi_{2}}{N_{2}}\ln{\phi_{2}}} \end{aligned} $$
首先需要推导出 Flory-Huggins 自由能, 核心假设是溶剂和 polymer 的单体都会占据一个格点.
因此设总格点数为 $M$, 各格点体积为 $a^{3}$, polymer 长度均为 $N$, 且一共有 $n_{p}$ 条聚合物链.
每个溶剂分子占据 1 个格点, 且共有 $n_{s}$ 个溶剂分子. 因此存在关系式
$$ M = Nn_{p} + n_{s} $$
polymer 的体积分数为 $\begin{aligned}\phi = \frac{Nn_{p}}{M}\end{aligned}$, 溶剂的体积分数为 $\begin{aligned}1 - \phi = \frac{n_{s}}{M}\end{aligned}$. 可以把溶剂分子视为聚合度为 1 的聚合物.
自由能 $F \equiv U - TS$, 混合(视为等温过程)后产生变化 $\Delta F_{\text{mix}} = \Delta U_{\text{mix}} - T\Delta S_{\text{mix}}$. 也可通过同除以格点数 $M$ 和 能量量纲 $k_{B}T$ 化为形式 $\begin{aligned}\frac{\Delta\bar{F}_{\text{mix}}}{k_{B}T} = \frac{\Delta\bar{U}_{\text{mix}}}{k_{B}T} - \frac{\Delta\bar{S}_{\text{mix}}}{k_{B}}\end{aligned}$.
设晶格配位数为 $z$. 那么将存在 $\varepsilon_{pp}$ (溶质-溶质), $\varepsilon_{ss}$ 溶剂-溶剂, $\varepsilon_{ps}$ 溶质-溶剂三种相互作用的能量.
对于溶质-溶剂(polymer-solvent), 采取平均场假设, 即溶质和溶剂配位的概率为 $P = \phi(1-\phi)$. 则 polymer-solvent 的总配位数为 $\begin{aligned}N_{ps} = \frac{1}{2}zM\phi(1-\phi)\end{aligned}$, 其中 $\begin{aligned}\frac{1}{2}\end{aligned}$ 是为了消除重复计数.
交换能被定义为 $\begin{aligned}\varepsilon = \varepsilon_{ps} - \frac{1}{2}(\varepsilon_{pp} + \varepsilon_{ss})\end{aligned}$. 那么由混合引起的内能变化则为
$$ \Delta U_{\text{mix}} &= N_{ps}\varepsilon = \frac{z\varepsilon}{2}M\phi(1-\phi) \\ \Rightarrow \frac{\Delta\bar{U}_{\text{mix}}}{k_{B}T} &= \frac{\Delta U_{\text{mix}}}{Mk_{B}T} = \frac{z\varepsilon}{2k_{B}T} \phi (1-\phi) = \chi\phi(1-\phi) $$
其中 $\begin{aligned}\frac{z\varepsilon}{2k_{B}T}\end{aligned}$ 被定义为 Flory-Huggins 参数.
代入前面推导的混合熵公式, 即得到各格点自由能变化量(Flory-Huggins 自由能密度):
$$ \frac{\Delta\bar{F}_{\text{mix}}}{k_{B}T} = \frac{\phi}{N}\ln{\phi} + (1-\phi)\ln{(1-\phi)} + \chi\phi(1-\phi) $$
在稀溶液极限 ($\phi\to 0$) 下, 有 $\begin{aligned}\ln{(1-x)} = - x - \frac{x^{2}}{2}\end{aligned}$, 则
$$ (1-\phi)\ln{(1-\phi)} = -\phi + \frac{\phi^{2}}{2} + \mathcal{O}(\phi^{3}) $$
自由能可写作
$$ \frac{\Delta\bar{F}_{\text{mix}}}{k_{B}T} = \overset{\text{ideal mix entropy}}{\frac{\phi}{N}\ln{\phi}} + \underset{A_{1}}{(\chi-1)}\phi + \underset{A_{2}}{\left(\frac{1}{2}-\chi\right)}\phi^{2} + \mathcal{O}(\phi^{3}) $$
$$ \begin{aligned} \frac{f}{k_{B}T} = \frac{\phi}{N}\ln{\phi} + A_{1}\phi + A_{2}\phi^{2} + A_{3}\phi^{3} + \cdots \end{aligned} $$
其中 $A_{1}$ 代表的是溶质和溶剂的平均能量贡献, $A_{2}$ 是溶质与溶质的两体相互作用.
$$ A_{2}\sim \frac{v}{a^{3}}\Rightarrow v\propto a^{3}\left(\frac{1}{2}-\chi\right) \Rightarrow v = a^{3}(1-2\chi) $$
这样就回到了熟悉的通过体积排斥参数 $v$ 来讨论溶剂性能的领域.
- 当 $T$ 较高, 使得 $\begin{aligned}\chi = \frac{z\varepsilon}{2k_{B}T}<\frac{1}{2}\end{aligned}$, 则 $v = a^{3}(1-2\chi)>0$, 链膨胀;
- 当 $\begin{aligned}T = T_{\theta} = \frac{z\varepsilon}{k_{B}}\end{aligned}$, 使得 $\begin{aligned}\chi = \frac{z\varepsilon}{2k_{B}T} = \frac{1}{2}\end{aligned}$, 则 $v = a^{3}(1-2\chi)=0$, 理想链;
- 当 $T$ 较低, 使得 $\begin{aligned}\chi = \frac{z\varepsilon}{2k_{B}T}>\frac{1}{2}\end{aligned}$, 则 $v = a^{3}(1-2\chi)<0$, 链塌缩;
根据 $T_{\theta}$ 的定义, 可将其代入至 $\chi$ 式中替换系数:
$$ v = a^{3} \left(1 - 2 \frac{T_{\theta}}{2T}\right) = a^{3} \left(1 - \frac{T_{\theta}}{T}\right)\propto \boxed{1 - \frac{T_{\theta}}{T}} $$
至于温度则是相当于在改变排斥体积参数 $v$, 因此可以视为温度在将溶剂在好溶剂在差溶剂之间调节. 体积排斥参数 $v$ 的温度 $T$ 依赖关系为 $\begin{aligned}v\propto 1 - \frac{T_{\theta}}{T}\end{aligned}$, 即低温 ($T < T_{\theta}$) 时体现为差溶剂, $T = T_{\theta}$ 时为 $\theta$ 溶剂, 高温 ($T > T_{\theta}$) 时为好溶剂.
液晶
1. 解释液晶的三种相: 丝状/向列相, 层状相, 螺旋相

液晶是取向有序, 位置长程无序的物质状态. 有序程度从高到低:
-
*Crystalline(结晶相): 条件最强的相, 要求分子取向完全一致, 位置如同晶格一样严格有序.
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Smectic(层状相): 分子长轴取向一致, 相比于 Nematic 具有层状结构, 存在一维位置有序. 层和层之间可以滑动.

- Nematic(向列相): 分子长轴取向一致, 无层状结构, 位置(液晶分子中心)长程无序. 被比喻为 "盒子里的牙签", 总体方向一样但是可以自由向任意位置移动.

- Cholesteric(螺旋相): Nematic 的 director $\vec{n}$ 沿着空间中某轴呈现螺旋.

- Isotropic(各向同性相): 分子取向和位置完全无序, 是液晶在高温下表现出的液体性质, 物理性质呈现各向同性. $S = 0$.
2. 解释: splay, twist, bend 三种自由能
这一问是在考察 Frank 弹性理论. 对于 Nematic 相(向列相), 序参量为 director $\vec{n}(\vec{r})$, 其中 $|\vec{n}| = 1$, 且注意 $\vec{n}\equiv -\vec{n}$.
director 在空间中产生变化时, 即有弹性自由能, 可被分为三个部分: splay(扩张), twist(扭转) 和 bend(弯曲).

$$ f = \underset{\text{Splay}}{\frac{1}{2}K_{1}(\nabla\cdot\vec{n})^{2}} + \underset{\text{Twist}}{\frac{1}{2}K_{2}(\vec{n}\cdot\nabla\times\vec{n})^{2}} + \underset{\text{Bend}}{\frac{1}{2}K_{3}|\vec{n}\times\nabla\times\vec{n}|^{2}} $$
若材料近似各向同性($K_{1}\approx K_{2}\approx K_{3} = K$), 则
$$ f = \frac{1}{2}K(\nabla \vec{n})^{2} $$
3. 解释液晶的序参量定义
假设液晶分子长轴取向为单位向量 $\vec{u}$. 于是平均取向可以被定义为 $\vec{n} = \left\langle \vec{u} \right\rangle$. $\vec{u}$ 和 $\vec{n}$ 之间的夹角 $\theta$ 可以被视为描述液晶分子的参数. 接下来需要定义描述液晶分子的序参量, 即其大小和液晶整体的有序性相关.
Recall:
在 Ising Model 中, 序参量被定义为 $\begin{aligned}L = \frac{1}{N}\sum_{i}\sigma_{i} = \frac{N_{+}-N_{-}}{N}\end{aligned}$, 即自旋的平均值.
$\langle\cdots\rangle$ 表示对所有分子做系综平均
-
如果借用 Ising Model 的定义, 我们有 $S_{1} = \langle\theta\rangle$. 然而, 液晶分子通常自身具有对称性(即长轴取向 $\vec{n}$ 和 $-\vec{n}$ 等价), 偏离平均取向 $\vec{n}$ 的分子 $\theta$ 和 $\theta+\pi$ 实际上是等价的, $S_{1}$ 却会错误的计算出 $\langle\theta\rangle = \theta+\pi/2$ 的结果.
-
序参量 $S_{2} = \left\langle\cos{\theta}\right\rangle$ 同样没好到哪里去, 虽然 $\cos{\theta}$ 具有 $\cos{(2\pi-\theta)} = \cos{\theta}$ 的对称性, 但是仍然具有 $\cos{(\theta+\pi)} = -\cos{\theta}$ 的问题: 明明取向相同, 却为 $S_{2}$ 添加了 $0$ 的成分.
-
最简单的消去符号的方法是对其做平方, 即拟定序参量为 $S_{3} = \langle\cos^{2}{\theta}\rangle$. 我们注意到:
-
- 完全有序即 $\theta = 0$ 时, $S_{3} = \cos^{2}{0} = 1$;
-
- 完全无序时, $\theta$ 均匀分布在整个球壳上, 即
$$ f(\theta,\phi) = \frac{1}{4\pi} $$
计算拟定序参量
$$ \begin{aligned} \langle\cos^{2}(\theta)\rangle &= \int_{0}^{2\pi}\mathrm{d}\phi \int_{0}^{\pi}\cos^{2}{\theta}\cdot \frac{1}{4\pi}\sin{\theta}\mathrm{d}\theta = -\frac{1}{2}\int_{0}^{\pi}\cos^{2}{\theta}\mathrm{d}(\cos{\theta}) \\ &= -\frac{1}{2}\int_{1}^{-1}u^{2}\mathrm{d}u = \frac{1}{2}\frac{1}{3}u^{3}\bigg|_{-1}^{1} = \frac{1}{3} \end{aligned} $$
我们希望在完全无序时, 序参量为 $0$. 因此对该单调函数进行线性变换即可得到最后结果.
从更深层次的角度而言, 任何方向分布函数都可以展开为 Legendre 多项式级数:
$$ f(\theta) = \sum_{l=0}^{\infty} \frac{2l+1}{2}\langle P_{l}(\cos{\theta})\rangle P_{l}(\cos{\theta}) $$
- $l = 1$ 对应 $\langle\cos{\theta}\rangle$, 对应极性有序;
- $l = 2$ 对应 $\left\langle\frac{3\cos^{2}{\theta}-1}{2}\right\rangle$, 对应取向有序.
$$ S = \left\langle \frac{3\cos^{2}{\theta} - 1}{2} \right\rangle $$
- 若 $S = 1$, 即所有 $\theta = 0$, 液晶分子取向完全平行一致(完美晶体);
- 若 $S = 0$, 即 $\langle\cos^{2}{\theta}\rangle = 1/3$, 这是液晶分子完全无序计算的结果.
4. 解释液晶的 $\pm \frac{1}{2}$ 缺陷
可以借助电荷的电场线来理解 winding number. 对于点电荷 $q$, 在二维平面内研究其围线上电场方向的旋转. 如果以顺时针方向沿着围线旋转一周, 会发现电场方向也是以顺时针方向旋转一周 ($2\pi$). 因此其拓扑荷为 $m = 2\pi / (2\pi) = 1$, 这一点对于正负电荷都一样.
拓扑荷被定义为
$$ \boxed{m = \frac{1}{2\pi}\oint \mathrm{d}\theta} $$
而在液晶中, 特殊的是 $\vec{u}$ 和 $-\vec{u}$ 是等价的. 因此若沿围线一周后, 分子取向 $\vec{u}$ 旋转了 $\pm\pi$, 实际上就已经完成了取向旋转 "一周". 此时围线中将会出现 $\pm \frac{1}{2}$ 的缺陷核. 两者分别被戏称为 "彗星"($\theta(\phi) = \frac{\phi}{2}$) 和 "三叶"($\theta(\phi) = -\frac{\phi}{2}$).





