2019年环保工程师基础知识：分子自由度

分子自由度

自由度是物体运动方程中可以写成的独立坐标数，单原子分子有3个自由度，双原子，三原子不考虑震动相当于刚体，分别有5个(3平2转)、6个自由度(3平3转)，考虑震动后，双原子加1个，三原子加2个，振动自由度在经典范围下是你那么算，根据能量均分定理得到。但是考虑量子效应，需要用波色统计或费米统计，这个就复杂了，常温下一般不考虑量子效应，用经典的就行了。

(1)单原子分子：如氦He、氖Ne、氩Ar等分子只有一个原子，可看成自由质点，所以有3个平动自由度i = t = 3.

(2)刚性双原子分子如氢、氧、氮、一氧化碳CO等分子，两个原子间联线距离保持不变。就像两个质点之间由一根质量不计的刚性细杆相连着(如同哑铃)，确定其质心O‘的空间位置，需3个独立坐标(x，y，z);确定质点联线的空间方位，需两个独立坐标(如α，β)，而两质点绕联线的的转动没有意义。所以刚性双原子分子既有3个平动自由度，又有2个转动自由度，总共有5个自由度i = t + r =3 + 2 = 5。

(3)刚性三原子或多原子分子：如CO2，H2O、氨等，只要各原子不是直线排列的，就可以看成自由刚体，共有6个自由度，i = t + r = 3 + 3 = 6。

(4)对于非刚性分子，由于在原子之间相互作用力的支配下，分子内部还有原子的振动，因此还应考虑振动自由度(以S表示)。如非刚性双原子分子，好像两原子之间有一质量不计的细弹簧相连接，则振动自由度S = 1。

一般在常温下，气体分子都近似看成是刚性分子，振动自由度可以不考虑。

力学系统由一组坐标来描述。比如一个质点的三维空间中的运动，在笛卡尔坐标系中，由x，y，z三个坐标来描述;或者在球坐标系中，由r，θ，φ三个坐标描述。描述系统的坐标可以自由的选取，但独立坐标的个数总是一定的，即系统的自由度。一般的，N个质点组成的力学系统由3N个坐标来描述。但力学系统中常常存在着各种约束，使得这3N个坐标并不都是独立的。对于N个质点组成的力学系统，若存在m个约束，则系统的自由度为S = 3N-m。

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