117
Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010 1 | The material is subject to copyright Contents BASICS OF STATISTICAL THERMODYNAMICS .................................................................................................. 2 1.1 Macroscopic systems and microstates ..................................................................................................................... 5 1.2 Ensemble average .................................................................................................................................................... 8 1.3 Entropy and internal energy................................................................................................................................... 11 1.4 Microcanonical ensemble ...................................................................................................................................... 16 1.5 Canonical ensemble ............................................................................................................................................... 18 1.6 Ideal monatomic gas .............................................................................................................................................. 24 Internal energy ......................................................................................................................................................... 24 Microstates and entropy........................................................................................................................................... 25 Ideal-gas law ............................................................................................................................................................ 29 1.7 Diatomic and polyatomic ideal gases .................................................................................................................... 31 1.8 Ideal solids ............................................................................................................................................................. 37 1.9 Photons and thermal radiation ............................................................................................................................... 45 Planck distribution ................................................................................................................................................... 45 Thermal radiation .................................................................................................................................................... 46 1.10 Ising model .......................................................................................................................................................... 51 Two-dimensional Ising model ................................................................................................................................. 61 Three-dimensional Ising model ............................................................................................................................... 66 1.11 Helix-coil transition of polypeptides ................................................................................................................... 71 1.12 Grand canonical ensemble ................................................................................................................................... 80 1. 13 Gas adsorption .................................................................................................................................................... 84 Langmuir adsorption isotherm ................................................................................................................................. 84 Brunauer-Emmett-Teller (BET) adsorption isotherm .............................................................................................. 87 Gas adsorption in porous materials.......................................................................................................................... 90 1. 14 Isobaric-isothermal systems................................................................................................................................ 94 1.15 Gas hydrates ...................................................................................................................................................... 100 1.16 Partition functions for classical systems ............................................................................................................ 108 Summary.................................................................................................................................................................... 111 Concepts checklist ..................................................................................................................................................... 111 Problems .................................................................................................................................................................... 112

Lecrure Notes

  • Upload
    steve

  • View
    23

  • Download
    6

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

1 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Contents

BASICS OF STATISTICAL THERMODYNAMICS .................................................................................................. 2 

1.1 Macroscopic systems and microstates ..................................................................................................................... 5 

1.2 Ensemble average .................................................................................................................................................... 8 

1.3 Entropy and internal energy ................................................................................................................................... 11 

1.4 Microcanonical ensemble ...................................................................................................................................... 16 

1.5 Canonical ensemble ............................................................................................................................................... 18 

1.6 Ideal monatomic gas .............................................................................................................................................. 24 

Internal energy ......................................................................................................................................................... 24 

Microstates and entropy ........................................................................................................................................... 25 

Ideal-gas law ............................................................................................................................................................ 29 

1.7 Diatomic and polyatomic ideal gases .................................................................................................................... 31 

1.8 Ideal solids ............................................................................................................................................................. 37 

1.9 Photons and thermal radiation ............................................................................................................................... 45 

Planck distribution ................................................................................................................................................... 45 

Thermal radiation .................................................................................................................................................... 46 

1.10 Ising model .......................................................................................................................................................... 51 

Two-dimensional Ising model ................................................................................................................................. 61 

Three-dimensional Ising model ............................................................................................................................... 66 

1.11 Helix-coil transition of polypeptides ................................................................................................................... 71 

1.12 Grand canonical ensemble ................................................................................................................................... 80 

1. 13 Gas adsorption .................................................................................................................................................... 84 

Langmuir adsorption isotherm ................................................................................................................................. 84 

Brunauer-Emmett-Teller (BET) adsorption isotherm .............................................................................................. 87 

Gas adsorption in porous materials .......................................................................................................................... 90 

1. 14 Isobaric-isothermal systems ................................................................................................................................ 94 

1.15 Gas hydrates ...................................................................................................................................................... 100 

1.16 Partition functions for classical systems ............................................................................................................ 108 

Summary.................................................................................................................................................................... 111 

Concepts checklist ..................................................................................................................................................... 111 

Problems .................................................................................................................................................................... 112 

Page 2: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

2 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

BASICSOFSTATISTICALTHERMODYNAMICS

As discussed  in numerous textbooks, classical thermodynamics  is concerned with two fundamental  laws 

of nature  that are applicable  to a  large variety of phenomena. The  first  law asserts conservation of energy;  the 

second law asserts that spontaneous events in nature always proceed in a particular direction. The laws of classical 

thermodynamics are derived from repeated observations of how macroscopic systems in nature behave. Because 

of extensive experience over many years, we are confident that these laws are permanent, unlikely to be refuted 

by future scientific developments.  

Closely affiliated with  the  fundamental  laws are  two key  concepts of  thermodynamics:  internal energy 

and entropy. Internal energy is the total energy of the individual elements or particles of a macroscopic system. By 

macroscopic we mean  that  the  system  contains  a  very  large  number  of  elements  or  particles  (e.g.,  photons, 

electrons, molecules, colloidal particles, stars etc.) such that it follows the thermodynamic laws. Entropy is related 

to  the number of ways or  the number of microstates of a  thermodynamic system may exist. Here a microstate 

means a particular specification of the  individual elements  (or particles) of the thermodynamic system  (e.g., the 

instantaneous  positions  and  momenta  of  classical  particles).  Entropy  provides  a  measure  of  the  probability 

distribution of microstates in a thermodynamic system.  

In  addition  to  internal  energy  and  entropy,  auxiliary  thermodynamic  functions  and  thermodynamic 

relations are introduced to describe the macroscopic properties of a thermodynamic system at equilibrium. For a 

system at equilibrium, there are no net fluxes of energy or mass across the system’s boundary. In an equilibrium 

system,  the macroscopic  properties  of  interest  are  independent  of  time1. More  precisely,  time  independence 

means that the duration of observation is long compared to the time scale pertinent to the dynamics of individual 

elements or particles in the system.  

Whereas  both  internal  energy  and  entropy  depend  on  the  properties  of  individual  elements,  classical 

thermodynamics  provides  no  information  on  microscopic  details.  Toward  that  end,  we  rely  on  statistical 

mechanics,  which  quantitatively  connects  macroscopic  properties  of  a  thermodynamic  system  with  the 

1 The macroscopic properties of a steady‐state system are also independent of time but that system is not necessary at equilibrium. In a steady‐state system, there are net fluxes of energy or mass, independent of time. However, for equilibrium, it is necessary that there is no net flux of mass or energy. 

Page 3: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

3 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

microscopic  details  of  individual  elements.  Formally,  statistical  mechanics  is  concerned  with  the  statistical 

distribution  of  microstates  in  a  macroscopic  system.  Statistical  mechanics  relates  the  dynamics  of  individual 

elements to the macroscopic properties, such as  internal energy, entropy, and other thermodynamic properties. 

While  in  principle  statistical mechanics  is  applicable  to macroscopic  systems  at  or  away  from  equilibrium,  our 

concern  here  is  primarily  directed  at  thermodynamic  properties  of  equilibrium  systems,  i.e.,  statistical 

thermodynamics.  When  applied  to  a  molecular  system,  statistical  thermodynamics  connects  macroscopic 

properties with  the molecular  structure, with  the  interaction  forces within a molecule and with  the  interaction 

forces between molecules, and with the spatial arrangement of molecules.  

  What  is  the  advantage  of  statistical  thermodynamics? What  can  statistical  thermodynamics  do  that 

classical thermodynamics cannot? Statistical thermodynamics provides a powerful tool to describe the properties 

of a complex system  from a microscopic perspective. For example, consider a copolymer containing segments A 

and B. How do the properties of this copolymer depend on the chain length? Or geometric arrangement? How do 

the properties change when a random sequence of A and B is replaced by a regular arrangement (‐A‐B‐A‐B‐) or by 

a block arrangement (‐A‐A‐A‐B‐B‐B‐)? Or, how do the properties of a colloidal crystal change with electric charge or 

say, when we  change  the  crystal  structure  from  face‐centered  cubic  to  body‐centered  cubic? Or,  how  do  the 

properties of a  fluid  (say, oil or water) change when  the  fluid  is confined  to very small pores  in rocks or sands? 

Finally, how does a change in a protein’s tertiary structure or electric charge affect its tendency to form crystals or 

fibrils  (as  found  in Alzheimer’s disease)? Satisfactory answers  to  these and many other questions  in nature and 

modern technology require consideration of microscopic details.  

  Classical thermodynamics ignores microscopic details. Therefore, by itself, classical thermodynamics is not 

able to answer such questions. However, when classical thermodynamics is augmented by pertinent insights from 

physics  or  physical  chemistry,  it  is  often  able  to  provide  useful  results. Because  such  help  is  usually  based  on 

phenomenological  grounds,  the  utility  of  augmented  classical  thermodynamics  (sometimes  called  molecular 

thermodynamics)  is  limited.  Statistical  thermodynamics  provides more  fundamental  (and  often more  rigorous) 

answers to questions concerning how macroscopic properties are related to the microscopic details of a system’s 

individual  elements.  Because  statistical  thermodynamics  provides  a  link  between macroscopic  thermodynamic 

properties  and molecular  properties,  it  is  possible  to  “engineer”  the  structures  of molecules  and  their  spatial 

Page 4: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

4 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

arrangements  for some particular application. Statistical thermodynamics enables us to predict  the macroscopic 

consequences of microscopic engineering. 

This  introductory  chapter  presents  the  essential  concepts  of  statistical  thermodynamics  and  the 

mathematical framework for describing thermodynamic properties of a system in terms of the microscopic details 

of  that  system’s  individual  elements. We  begin with  the  basic  assumptions  of  statistical  thermodynamics  and 

discuss the definitions of entropy and internal energy. We then consider different specifications (or “constraints”) 

of thermodynamic systems and how each specification2 leads to corresponding relations between microscopic and 

macroscopic properties. These concepts are illustrated with a few applications, first to idealized systems and then 

to a  few  systems of practical  interest. The examples  in  this  chapter  include properties of  ideal gases and  ideal 

solids,  non‐interacting  photons  and  radiation,  helix‐coil  transition  of  a  polypeptide,  gas  adsorption  on  a  solid 

substrate, vacancies in crystalline solids (Schottky effect), and phase equilibria in natural gas/hydrate systems.  

2 Here specification means that the system of interest is kept at a particular macroscopic condition (called a “constraint”). For example, the system may be constrained to constant temperature and constant pressure. In that case, we say that the system is isothermal and isobaric.  

Page 5: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

5 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.1Macroscopicsystemsandmicrostates

Classical  thermodynamics  is  concerned  with  quantitative  relations  that  connect  the  macroscopic 

properties of an equilibrium system,  i.e., the properties that can be measured over  length and time scales much 

larger than those characterizing the dynamics of the individual elements.  Some thermodynamic variables, such as 

temperature, pressure, volume and composition, can be measured directly; while others, such as entropy, internal 

energy, are determined indirectly from measurements of other, directly measurable, properties.  

From a macroscopic point of view, an equilibrium system, regardless of its complexity, can be defined by a 

few thermodynamic variables.  For example, the properties of a glass of pure liquid water are completely specified 

by its temperature, pressure, and total volume. Similarly, the properties of a tank of gasoline can be specified by 

the total volume, temperature, and composition. These variables are both necessary and sufficient to characterize 

a macroscopic  system at equilibrium.    In other words, once  these variables are  fixed, all other  thermodynamic 

properties  can  be  calculated,  in  principle,  using  thermodynamic  relations  derived  from  the  two  laws  of 

thermodynamics.  

The minimum number of  thermodynamic variables  to define an equilibrium  system, or  the degrees of 

freedom, is provided by the Gibbs phase rule. For example, to define a system free of chemical reactions, we use 

fN   intensive variables:  

  2f c pN N N   (1) 

where  cN   is  the number of components, and  pN   is  the number of coexisting phases. An  intensive variable  is 

independent of system size; examples are temperature, pressure, density, and chemical potential. Conversely, an 

extensive  variable depends on  the  system  size;  examples  are  internal  energy,  entropy,  and  volume.  The Gibbs 

phase rule is not concerned with the system size, which can be fixed by an extensive variable. 

  Equilibrium systems are thermodynamically equivalent  if they exhibit the same macroscopic properties.  

To illustrate, Figure 1 shows two tanks of argon gas, A and B, at the same temperature, mass, and total volume. If 

the two containers are identical, we assert that all macroscopic properties of A are identical to those of B, i.e., any 

macroscopic measurement for A is equivalent to that for B.  

Page 6: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

6 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

 

 

 

 

Figure 1 Two tanks of argon gas are equivalent from a thermodynamic point of view if they have the same temperature, mass and total volume and  if the containers are also the same. But they are not  identical from  a microscopic  perspective  because  at  any  instant,  the  relative  positions  and momenta  of  argon molecules in tank A are not the same as those in tank B. The systems are identical only on a macroscopic scale, not on a microscopic scale.  

  From a microscopic point of view, however, systems with the same macroscopic properties may be quite 

different. For the two systems shown in Figure 1, argon molecules are in motion and interact with each other and 

with the container. A complete description of the microscopic details of the molecules in each tank would require 

an enormous number of variables to specify the positions and momenta of individual molecules. At any instant, it 

is extremely unlikely that all molecules in one tank have the same positions and momenta in that tank as those in 

the other.  In other words, while  the macroscopic state of argon  in  tank A  is  the same as  that  in  tank B, at any 

instant the microstate in tank A is most likely not the same as that in tank B. 

To describe a macroscopic system  in terms of  its many possible microstates, we must rely on statistics. 

We need to know the statistical distribution of microstates because, for a system with a large number of individual 

elements  (e.g.,  >1023),  it  is  impossible  to  specify  the microscopic  details  at  any  instant.  To  obtain  a  statistical 

description,  statistical  thermodynamics  uses  the  concept  of  an  ensemble,  defined  as  an  assembly  of  a  large 

number  of  microstates  for  systems  that  are  macroscopically  equivalent.  At  any  instant,  each  system  in  the 

ensemble has a particular microstate. Because the number of thermodynamically equivalent systems (and thus the 

number of microstates) in the ensemble can be arbitrarily large, the ensemble includes not only all of the possible 

microstates of the real system under study but also those corresponding to the “mental copies” of the real system 

that have  identical  thermodynamic properties. Figure 2 shows a schematic picture of the ensemble for a box of

A

P T

B

P T

Page 7: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

7 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

argon gas at given temperature T. All boxes have the same volume V and each contains N identical argon

molecules.

N, T, V

N, T, V

N,T, V

N,T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

N, T, V

 

Figure 2 An ensemble for a system of argon gas at given temperature (T ), number of molecules ( N ) and 

volume (V ) includes the microstates of an arbitrary large number of argon‐gas systems at the same  T , N , and V .  Here the box in solid lines represents the real system under study; all boxes in dashed lines 

are mental copies of the real system.  While all boxes have the same T ,  N , and V , at any moment, each 

box may (but need not) have a different microstate. 

Page 8: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

8 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.2Ensembleaverage

  In statistical thermodynamics, the macroscopic properties of an equilibrium system are defined in terms 

of ensemble averages of dynamic variables, i.e., properties that vary with time. To illustrate, suppose that M is a 

dynamic property, e.g., the instantaneous energy of a macroscopic system. The ensemble average is defined as 

   v

M p Μ   (1) 

where  subscript    denotes  a microstate,  p   is  the  probability  of microstate    in  the  ensemble,  and  M  

represents  the value of M at microstate  . Because at any moment  the microstate of an equilibrium system  is 

unknown,  an  ensemble  average  provides  the  expectation  (i.e.  expected  value)  for  a  dynamic  property  of  a 

macroscopic  system  specified  by  a  few  thermodynamic  variables.  The  expected  value  is  indicated  by  brackets 

.   

  For  example,  the  internal  energy  is  defined  as  the  ensemble  average  of  the  system  energy  over  all 

microstates 

    U p E

  (2) 

 where  E  is the total energy of the system at microstate  . Internal energy is affiliated with the energies of the 

individual elements  (e.g., molecules) of a macroscopic system;  it does not include the kinetic energies due to the

overall motion or potential energies related to the position of the entire system3. For  a molecular  system,  vE  

includes  the  kinetic  energies  arising  from  the  translational,  vibrational  and  rotational  motions  of  individual 

molecules,  the  potential  energy  due  to  intra‐  and  inter‐ molecular  interactions,  and  the  energies  arising  from 

interactions of  the molecules with an external  field  (e.g., an electric, gravitational, or magnetic potential, or  the 

interaction of a wall with molecules near a surface).  

  To  calculate  ensemble  average  M ,  we  need  information  concerning  the  property  vM   for  all 

microstates and  the probability distribution of microstates  p . The  former  is specified by physical  laws such as 

Newtonian mechanics  or  quantum mechanics  that  dictate  the  dynamics  of  individual  elements.  To  calculate 

3 If the entire system is in motion relative to some frame of reference, the energy associated with that motion is not included in internal energy. Neither does the internal energy include the gravitational potential related to the elevation of the entire system relative to some frame of reference.  

Page 9: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

9 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

probability p , we need  to have a  relation between  p  and entropy as defined by Boltzmann or by Gibbs  (see 

next  section).  For molecular  systems,  the microscopic details  (e.g.,  variations of  the momenta and positions of 

individual argon molecules with time) can be calculated (in principle) by solving the Schrödinger equation or, if we 

are  content with  classical mechanics, Newton’s  equations.  In  that  case, we may  calculate  the  thermodynamic 

properties by solving the equations of motion for a  large number of molecules or by sampling a  large number of 

microstates. Molecular  simulation  provides  a  computational  procedure  to  calculate  thermodynamic  properties 

directly from the properties of microstates of an ensemble. 

 

 

Figure  3  Time  variance  of  dynamic  property  M   of  an  equilibrium  system  [e.g.,  ( )M t   could  be  the 

instantaneous total energy of a tank of argon gas at fixed  N , V  and  T ].  While   M  changes with time, 

at equilibrium, time‐average  M   (dashed line) is constant. 

  How do we know that the thermodynamic properties obtained from the ensemble average are equivalent 

to those defined in classical thermodynamics? As illustrated schematically in Figure 3, the instantaneous value for 

any measurable property  M of  an  equilibrium  system  varies with  time because of  the motion or dynamics of 

individual elements. In classical thermodynamics, a thermodynamic property  M  refers to the time average of that 

property  M   over  a  time  period    that  is much  larger  than  the  time  scale  relevant  to  the  dynamics  of  the 

individual elements in the system of interest  

   0

1( )M M t dt

.   (3) 

M(t)

Time, t

Page 10: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

10 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

For a simple molecular system (e.g., argon gas), the time scale relevant to the dynamics of the individual molecules 

is very small, of  the order of 10‐15 seconds. Over  the duration of a  typical  thermodynamic measurement  (of  the 

order of minutes or hours), the system visits a very  large number of microstates. As a result,  it  is reasonable to 

hypothesize that the distribution of microstates in a specific system under consideration is the same as that in the 

ensemble.    In  other  words,  the  ensemble  average  and  the  time  average  should  yield  identical  results.  The 

equivalence of time average and ensemble average is called ergodicity, a key assumption of statistical mechanics. 

In this book, we are concerned exclusively with ergodic systems, i.e., equilibrium systems that follow the ergodic 

hypothesis. 

  We can illustrate ergodicity and the conceptual difference between time average and ensemble average 

by using an analogy.  Suppose that we have two distinguishable dice, each with the 6 facets labeled with numbers 

1 to 6. If we roll the dice once, we want to know: What is the probability that the face values of the two dice give a 

seven?  

  We can answer this question in two ways.  In the first way, we have one person roll the dice repeatedly, 

say  n  times.  For each roll, we record the sum of the face values of the dice. For two different dice, there are 36 

different outcomes  (or microstates). We can calculate  the desired probability by noting how often  the  two dice 

gives seven and divide that by n, the total number of rolls.  This would give a time‐average result because it comes 

from a  large number of rolls, each with the same dice at a different time. Alternatively, we can assemble a  large 

number of persons and give each one two distinguishable dice.  The dice given to any one person are identical to 

those given to any other person. There are n persons in the assembly.  At a fixed instant, everyone in the assembly 

rolls his or her dice.   We  can  then  calculate  the desired probability by  looking at all  the  rolls and counting  the 

number of rolls that result in seven.  We take that number and divide it by n, the number of persons who, at the 

same time, rolled his or her two dice.  In this case, the calculated probability is not the average of many rolls taken 

by one person over a  long period of  time.    Instead,  it  is  the average of many  rolls, each  taken by one of many 

persons  (an ensemble) at a  fixed  time.   Both methods give  the  same  result.   Of  the 36 possible outcomes,  six 

outcomes give seven; they are: (1,6), (6,1), (2,5), (5,2), (3,4), (4,3). The desired probability is 6/36 = 1/6. 

The  ergodicity  assumption  ensures  that  the  definitions  of  thermodynamic  properties  in  statistical 

thermodynamics are equivalent to those used in classical thermodynamics.  

Page 11: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

11 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.3Entropyandinternalenergy

In classical thermodynamics, the lack of a physically comprehensible definition of entropy tends to make 

this  important  function  mysterious  and  esoteric.  Entropy  is  often  interpreted  as  a  measure  of  disorder, 

randomness  or  chaos;  the  higher  the  entropy,  the  greater  the  disorder.  This  interpretation may  trace  back  to 

Rudolf Clausius, the German physicist who first introduced the concept of entropy and articulated the two laws of 

thermodynamics  in  the middle of  the nineteenth  century. Hermann von Helmholtz, another  founding  father of 

thermodynamics, also used the word “Unordnung” (disorder) to describe entropy.  

If  entropy  is  affiliated with  disorder,  the  relentless  increase  of  entropy would  ultimately  degrade  our 

universe  to a  state of  complete  randomness or  chaos. As enunciated by Clausius  in 1865,  “The entropy of  the 

universe  tends  to  a maximum.”  This  bleak  prediction  of  classical  thermodynamics  has  raised  concerns  among 

philosophers and laypersons alike. For example, Bertrand Russell, a British mathematician and philosopher, wrote 

pessimistically that “all the  labors of the ages, all the devotion, all the  inspiration, all the noonday brightness of 

human genius, are destined  to extinction.” Yet  life appears on earth, beginning  from  simple  inorganic  forms  to 

biomacromolecules and  their  self‐assembly  to cells and eventually evolution  to human beings with  incremental 

ordered structures. Is entropy necessarily affiliated with disorder? 

In searching for a mechanical theory of heat, Ludwig Boltzmann, a professor of mathematical physics  in 

Germany and Austria, concluded  in 1877 that entropy  is an  intrinsic property of an equilibrium system reflecting 

the statistical distribution of  the system’s elements  in different microstates. According  to Boltzmann’s statistical 

interpretation, entropy is defined as  

      lnBS k W   (1) 

where 23

B 1.381 10 J/Kk is  the  Boltzmann  constant,  and  W stands  for  the  average  number  of  accessible 

microstates,  i.e.,  the  average  number  of microstates  that  the  system may  exist  at  any moment.  Boltzmann’s 

definition  of  entropy  marks  the  beginning  of  statistical  mechanics.  This  definition  gives  a  clear  physical 

interpretation:  entropy provides  a measure of microscopic  freedom or  the number of  choices  available  to  the 

individual elements to exist in different microstates. 

Page 12: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

12 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

To illustrate the meaning of the total number of microstates, consider a simple example. Suppose that we

have a box containing four different sub-boxes. We have four balls and we ask: In how many different ways

(microstates) can we place these four balls into the box such that one ball is in each sub-box?

Figure  4  Six  different ways  to  place  two  identical white  balls  and  two  identical  black  balls  into  four different sub‐boxes such that one ball is in each sub‐box.  

When we place the first ball, we have four possibilities because all four sub-boxes are initially empty.

When we place the second ball, we have three possibilities because one sub-box is already occupied. When we

place the third ball, we have two possibilities and when we place the fourth ball, we have only one possibility.

Therefore, the number of different ways to place the balls is

W 4 3 2 1 4! . (2)

If the four balls are identical, i.e., indistinguishable, the final arrangements of balls in the sub-boxes are

equivalent, independent of the sequence of filling. In that case, it makes no difference which ball we place first,

second, third or fourth. Therefore, we must divide the apparent W by 4! giving W 1 . There is only one way to

place four identical balls into a box containing four different sub-boxes such that one ball is in each sub-box. For

identical balls, the number of possible microstates is unity.

Page 13: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

13 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

But now suppose we have four balls where two are black and two are white; otherwise, the balls are

identical. Again, we ask, in how many different ways (microstates) can we place the four balls into the four sub-

boxes? For this case, we must divide the apparent W (Eq.2) by 2 2! ! , because two black balls and two white balls

are indistinguishable. For this case, W=6.

Figure 4 shows the six ways of filling four different sub-boxes with two black balls and two white balls

such that one ball is in each sub-box. Because entropy is related to the number of microstates, the entropy of two

black balls and two white balls in four sub-boxes is larger than that of four white balls (or four black balls) in four

sub-boxes.

Why is it larger? When filling the four sub-boxes with four identical balls, information is complete; there

is only one possible arrangement. But when filling four sub-boxes with two white balls and two black balls,

information is incomplete. As shown in Figure 4, that case has six possible arrangements. We know that there are

two black balls and two white balls in four sub-boxes, but we do not know the detailed arrangement; information

concerning the state of the system is incomplete. We see here a simple representative illustration of how entropy is

a measure of missing information.

While  Boltzmann’s  definition  often  provides  a  link  between  entropy  and  disorder  or  randomness,  a 

system  in a state of higher entropy  is not necessarily equivalent to that  in a state of greater disorder4. By using 

idealized models,  scientists have  realized  for many  years  that  increasing  entropy  sometimes  serve  as  a driving 

force  for molecular ordering  rather  than disordering. For example,  Lars Onsager predicted  in  the 1940s  that at 

sufficiently high density,  a  system of  rod‐like particles exhibits  a phase  transition  from  an  isotropic phase  to  a 

lamellar phase (where the particles are aligned in the axial direction). The entropy of the ordered lamellar phase is 

higher than that the disordered isotropic state. Onsager’s idea was used by chemical engineers to fabricate ultra‐

strong  fibers such as Kevlar. For another example,  in  the 1950’s, Alder and coworkers  found by using computer 

models  that at  sufficiently high density, hard  spherical particles may  crystallize without any attractive  force.  In 

other words, at sufficiently high density, the entropy of spherical particles in an ordered state may exceed that in a 

random state. 

4 As commonly perceived, we define “order” in terms of spatial organization of individual elements. For example, a crystal is referred to as an ordered phase because of the organized arrangement of individual atoms.       

Page 14: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

14 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

The  connection  between  entropy  and  information  (or missing  information)  was  first  identified  by  J. 

Willard Gibbs who provided an alternate definition of entropy  

  lnB v vv

S k p p .  (3) 

Gibbs’ definition of entropy consists of an important cornerstone of information theory for signal process and data 

analysis.  In  the  context  of  ensemble  average,  Eq.(3)  suggests  that  the  microscopic  counterpart  of  entropy,

lnB vk p ,  is  related  to  “uncertainty”  or  “incomplete  information.”  Entropy  gives  the  ensemble  average  of 

“uncertainty” that exists when only a few macroscopic variables (e.g., temperature and density of a pure gas) are 

used  to describe  a macroscopic  system. When  1vp ,  the  system  is  unique  at  the microscopic  level,  i.e.,  the 

system has no “uncertainty.”  For this case,  ln 0B vk p  and  0S . For  1vp , the microstate of a system at 

any  instant  is not certain.   We may  regard “uncertainty” as given by  lnB vk p .   The smaller p ,  the  larger  the 

“uncertainty.”    Therefore,  entropy  can  also be understood  as  a measure of  incomplete  information; when  the 

information  is  complete ( 1)vp ,  entropy  is  zero.    Entropy  falls  as  the  available  information  becomes more 

complete5. 

  Another key  concept  in  statistical  thermodynamic  is  internal energy, which  is defined as  the ensemble 

average of the total energy over all microstates 

    U p E

.  (3) 

Once  we  have  both  internal  energy  and  entropy,  we  can  derive  all  other  thermodynamic  variables  of  an 

equilibrium system following the standard relations of classical thermodynamics.   For example, the temperature 

can be derived from  

 ,V N

UT

S

  (4) 

where  N   is the number of elements  (or particles)  in the system, and V  stands  for the total volume.   Because 

both entropy and total energy are extensive properties, temperature is intensive independent of the system size.  

5 Conceptually it is preferable to use a quantity that rises (rather than falls) as information increases. For that purpose, negentropy is defined as the reciprocal of entropy.  

Page 15: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

15 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  

 

 

Box1Boltzmann’sentropyandGibbs’entropy

We may show that the two definitions of entropy are equivalent. Consider an equilibrium system with a large number of  individual elements. A microstate of  the  system, denoted by  ,  is defined by  the microscopic 

details of all elements. Now imagine that we follow the microscopic details of the system in   consecutive steps, 

with  very much  larger  than unity. We designate  the  total number of microstates  for  the entire  system as n.  Within the duration of observation, the multiplicity of the system in different microstates is equal to the number of 

different outcomes to toss “a super coin” with n facets  times 

            1 2

!

! ! !n

W

  (B1)  

where   is the number of times that the system is in microstate  , satisfying the normalization condition   

            1

n

.   

Because the multiplicity of the outcomes  involves   steps, the average number of microstates accessible to the system at each step is  

            1/W W .   

In a special case where all microstates are equally accessible (e.g., a fair coin), W n  , i.e., the average number 

of accessible microstates at each step is n. In general, evaluation of 1/W requires some specific knowledge on the 

statistical distribution of the microstates.  

According to Boltzmann, the entropy is given by 

             ln lnBB

kS k W W

.    

By using Eq.(B1)  for  W and Stirling’s approximation  ln ! ln , we  find  that Boltzmann’s definition of 

entropy is equivalent to that by Gibbs 

            1 1 1

/ (ln ! ln !) / ( / ) ln( / ) lnn n n

BS k p p

   

where  /p  is the probability that the system is in microstate  . 

Page 16: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

16 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.4Microcanonicalensemble

In classical thermodynamics, an equilibrium system is specified by macroscopic variables such as constant 

temperature  and  constant  pressure  or  constant  volume.  Because  equilibrium  systems  fixed  at  the  same 

macroscopic thermodynamic variables are equivalent macroscopically but not microscopically, one essential task 

of statistical thermodynamics is to obtain the distribution of microstates for equilibrium systems that are fixed (or 

specified)  in  different macroscopic  ways.    To  specify  equilibrium  systems microscopically,  we  apply  different 

constraints to all possible microstates. By a constraint we mean specification of a macroscopic variable such that 

constrains  the  dynamics  of  all  individual  elements  of  the  system.    For  example,  in  an  isolated  system,  the 

constraints of constant  internal energy U , volume V , and number of  individual elements  N  mean  that these 

conditions  are  satisfied  in  all microstates.    In  statistical mechanics, microstates  conforming  to  these  particular 

constraints constitute a microcanonical ensemble.   

From  a macroscopic  point  of  view,  an  isolated  system  is  fully  defined  by  the  total  energy,  the  total 

volume, and the number of individual elements in the system.  When energy transfer is prohibited, the first law of 

thermodynamics requires that an isolated system must have constant total energy6.  In other words, the internal 

energy U  of an isolated system is the same as the energy for any microstate, which is identical to the total energy 

TE  

  TU E .  (1)  

  The  second  law  asserts  that,  at  equilibrium,  the  entropy  of  an  isolated  system  reaches  a maximum. 

According to Gibbs, entropy is given by 

 

  lnBS k p p

.  (2) 

Because  p   is normalized by 

6 Assume no nuclear reactions within the system and no external energy, i.e., no energy arising from overall motion or from any potential (e.g., gravitational or electric field) imposed on the entire system.  

Page 17: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

17 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  1p

,  (3) 

We may  find  the  distribution  of microstates  corresponding  to  the maximum  entropy  by  using  the  Lagrange‐

multiplier method 

  ln 1 0Bk p p pp

   (4) 

where   is the Lagrange multiplier.   

  After some algebra, Eq. (4) becomes 

  (ln 1) 0Bk p   (5) 

or 

  exp( / 1)Bp k .  (6) 

Because  Bk  and   are constants, Eq.(6)  indicates that  in the microcanonical ensemble,    vp   is the same for all 

microstates.  In other words, the microstates are uniformly distributed in the microcanonical ensemble7.  

  From  Eqs.(3)  and  (6),  we  find  that  vp   is  equal  to  the  reciprocal  of  the  total  number  of  accessible 

microstates 

  1/vp W .  (7) 

Substitution of Eq.(6) into Eq. (2) gives 

  lnBS k W   (8) 

which is the equation for entropy first proposed by Boltzmann. Eq.(8) indicates that if an isolated system has only 

one  microstate  ( 1W ),  its  entropy  is  zero.    This  statement  is  essentially  equivalent  to  the  3rd  law  of 

thermodynamics, i.e., the entropy is zero for a perfect crystal at zero temperature.  

7 Many statistical mechanics texts say that, in an isolated equilibrium system, equal probability of microstates is a fundamental postulate of statistical mechanics.  As shown here, this postulate is equivalent to postulating the second law of thermodynamics. 

Page 18: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

18 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.5Canonicalensemble

  A key task of statistical thermodynamics is to find the distribution of microstates for macroscopic systems 

at equilibrium. The probability distribution depends on  the  choice of  constraints,  i.e.,  thermodynamic  variables 

imposed to define the equilibrium system. The microcanonical ensemble discussed  in Section 1.4  is applicable to 

systems with fixed total energy, volume and number of particles. While the microcanonical ensemble is useful to 

illustrate  the basic concepts of statistical  thermodynamics,  the constraints are often not convenient  for  realistic 

systems. Because energy  transfer between a  system and  its environment  is  common  in  real  situations, a more 

useful set of constraints for an equilibrium system  is to specify the system volume, temperature, and number of 

particles.  An ensemble corresponding to those constraints is called a canonical8 ensemble.   

Toward establishing  the distribution  function  for microstates  in  the canonical ensemble, we consider a 

closed  system with  fixed  volume  and  total  number  of  particles  in  contact with  a  large  heat  bath  at  constant 

temperature. At equilibrium, the temperature of the system is identical to that of the heat bath.  Because there is 

no  net  transfer  of  energy  between  the  system  and  the  heat  bath  at  equilibrium,  the  constraint  of  fixed 

temperature is equivalent to the fact that the average internal energy of the system is constant. 

The internal energy of the system is given by  

  U p E

  (1) 

where  E   stands  for  the  total  energy  of  the  system  at microstate  ,  and  p   denotes  its  probability  in  the 

canonical ensemble.   To derive p , we again use  the  Lagrange multiplier method. As discussed earlier  (Section 

1.3), entropy is defined as 

  lnBS k p p

.   (2) 

The  second  law  of  thermodynamics  asserts  that  the  entropy  is  at  a maximum,  subject  to  the  constraints  that 

conform to the macroscopic specifications of the system. In the canonical ensemble, the probability distribution of 

microstates is subject to the constraint of fixed temperature (Eq.1) and the normalization condition 

8 Canonical means according to the canon, that is, the conventional, well‐known and generally accepted code of procedure. 

Page 19: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

19 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  1p

.  (3) 

Within the constraints of Eqs.(1) and  (3), maximizing the entropy  S    gives the distribution of microstates  in the 

canonical ensemble  

         exp( 1 )p E   (4) 

where   and   are yet‐to‐be‐determined Lagrange multipliers.   

  Substitution of Eq.(4) into (2) gives 

  / ln 1 1B vS k p p E U

.  (5) 

From the thermodynamic identity,  ,/

V NU S T ,  we find  

 1

,

/( )B

BV N

S kk T

U

.  (6) 

And from the normalization condition (Eq.3), we have 

  1 ln exp[ / ]BE k T

.  (7) 

With Eqs.(6) and (7), we can rewrite for the distribution of microstates in the canonical ensemble  

 exp( )E

pQ

  (8) 

where Q  is the canonical partition function  

  vE

v

Q e .  (9) 

Eq.(8)  is known as  the Boltzmann distribution or  the canonical distribution of microstates.    It  indicates  that  low 

energy states have higher probability,  i.e.,  for a closed system at constant  temperature, volume and number of 

particles, the equilibrium is biased to microstates with low energy.   

The partition function plays a central role in connecting the microscopic properties of a molecular system 

and  its  macroscopic  thermodynamic  variables.    As  mentioned  earlier,  Q   is  related  to  the  distribution  of 

Page 20: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

20 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

microstates  in  terms of  the Boltzmann distribution  law  (Eq.8). On  the other hand,  Q   is directly  related  to  the 

internal energy, entropy, and Helmholtz energy: 

 

exp[ ]exp[ ]

ln( )

exp[ ] exp[ ]

vv v

vv

v vv v

EE E

QU

E E

,  (10) 

  / 1 lnB vS k E U Q ,  (11) 

  lnBF U TS k T Q ,  (12) 

where  F   is the Helmholtz energy. With an expression for the partition function, Eqs.(8‐12) allow us to calculate 

both the thermodynamic properties and the distribution of microstates.   

Unlike  that  in  a  microcanonical  ensemble,  the  total  energy  of  microstates  in  a  canonical  ensemble 

fluctuates around  its mean value due to  instantaneous exchange of energy between the system and the thermal 

bath. From the partition function, we can also derive the mean‐square deviation of the total energy   

 

2 22 2 2

2

1 1 ln( ) ( ) v vE E

v vv v

QE E E E e E e

Q Q

.

  (13) 

Upon substituting Eq.(10) and the definition of the constant‐volume heat capacity  ( / )V VC U T  

  2 2( ) B VE k T C ,  (14) 

Eq.(14) suggests that the constant‐volume heat capacity reflects the energy fluctuation  in a canonical ensemble. 

Because  the  left side  is a square average, Eq.(14)  indicates  that  for an equilibrium system,  the constant‐volume 

heat capacity is always non‐negative, as required by thermodynamic stability.  

  The relative mean‐square‐root deviation of the total energy is 

 2 2( ) / /B VE E k T C U .  (15) 

Because both heat capacity and internal energy are extensive variables proportional to the number of particles of 

the system, the relative mean‐square‐root deviation of energy scales as 

 22( ) ~ 1/E E N .  (16) 

Page 21: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

21 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

In a typical macroscopic system, the number of particles is on the order of 1023.  As a result, the probability that an 

isothermal closed system has energy appreciably different from its mean energy is extremely small.  

  We  expect  that  for  macroscopic  systems,  different  ensembles,  i.e.,  different  ways  to  specify  the 

constraints  of  a macroscopic  system,  are  equivalent  in  the  thermodynamic  limit  (i.e.,  infinitely  large  systems).  

However,  for  systems  that  are  small  (on  the  order  of molecular  dimensions),  thermodynamic  properties may 

depend  on  the  choice  of  a  particular  ensemble.  To  illustrate  the  equivalency  of  different  ensembles, we may 

consider an idealized system that consists of N distinguishable but non‐interacting particles (e.g., nuclear spins9 in 

a uniform magnetic  field).   We assume  that each particle  can be  in one of  two possible microstates: one with 

energy  , and one with energy  .   We may derive the thermodynamic properties of this system using first, a 

microcanonical ensemble, and second, a canonical ensemble.   

  In a microcanonical ensemble,  the  system energy  is  fixed;  the  internal energy  U   is  the  same as  total 

energy  TE    

  ( ) ( 2 )T o o oU E n N n N n   (17) 

where  on  is the number of particles with energy  .  Because the total energy is fixed,  on  must be a constant, 

and  the number of particles with  energy    is  oN n .   Because  all microstates have  equal probability  in  the 

microcanonical ensemble, we can calculate the system entropy from the total number of microstates   W  using 

the Boltzmann equation 

 !

ln ln ln!( )!B B B

o o o

N NS k W k k

n n N n

.   (18) 

In Eq.(18), the combinatorial number o

N

n

 stands for the number of ways that the system can have  on  particles 

with energy  .  Based on Stirling’s approximation for factorials, the entropy is 

 ( )

ln ( ) lno oB o o

n N nS k n N n

N N

.  (19) 

9 The spin of a nucleus is its angular momentum. 

Page 22: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

22 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

From the entropy and internal energy, we derive the system temperature from the thermodynamic identity 

 

1

,N V o oN N

U U ST

S n n

.  (20) 

Differentiation of U  and  S  with respect to  on  and substitution into Eq.(20) gives 

 

1

2ln o

B o

nT

k N n

.  (21) 

Now we consider the same system, but use the canonical ensemble,  i.e., an ensemble corresponding to 

systems at  fixed  T  and  total number of  spins  N .   For a given microstate  v (  specified by  the particle energy 

states), the total energy  is  

 1

N

v ii

E s

  (22) 

where  1is   stands for the energy state of particle  i .  The canonical partition function is  

 11

( )v i

i

NE s N

v si

Q e e e e

  (23) 

where  1

Bk T .   Because  the particles  are  independent,  the partition  function of  the  total  system  can be 

alternatively  written  as  the  thN   power  of  the  partition  function  for  an  individual  particle, 

1

i

i

s

s

q e e e

. In that case, we have 

  ( )N NQ q e e .  (24) 

Whereas each particle can be in either one of two energy states so that the total number of microstates remains

2N, the constraint of constant temperature makes most of these microstates have only negligible probability. 

  From the partition function, we can derive the Helmholtz energy 

  ln ln( )B BF k T Q Nk T e e ,  (25) 

and the internal energy 

Page 23: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

23 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 N

F e eU N

e e

.  (26) 

The probability that a particle is in energy state   is 

  o

ep

q

,  (27) 

and the average total numbers of particles in this state is 

  o

en N

e e

.  (28) 

With Eq.(28), the internal energy becomes 

  ( ) ( 2 )o o oU n N n N n .  (29) 

Eq.(29) is identical to that from the microcanonical ensemble (Eq.17).  

  Finally, we derive the entropy from the thermodynamic identity, ( ) /S U F T ,     

          

.

( 2 ) ln( )

[( 2 ) ln( )]

[ ( ) ln ln ln( )]

ln ( ) ln

ln ( ) ln

o B

B o

B o o

B o o

o oB o o

S N n Nk e eT

k N n N e e

k N n e n e N e e

e ek n N n

e e e e

n N nk n N n

N N

   (30) 

The entropy from Eq.(30) is also the same as that from the microcanonical ensemble (Eq.19). To evaluate  S  from 

Eq.(30), we use Eq.(28) for  on . 

  This example illustrates that different ensembles lead to the same thermodynamic properties.  However, 

the microstates and their distributions are different.  In practical applications, the choice of ensemble depends on 

how  we  specify  an  equilibrium  system.  That  specification,  in  turn,  depends  on  what  information  is  available 

concerning the system of interest.   

 

Page 24: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

24 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.6Idealmonatomicgas

  We  now  consider  the  thermodynamic  properties  of  an  ideal  monatomic  gas  (e.g.,  argon)  and  their 

connections to the microscopic details of an ensemble of molecules. An ideal gas is an idealized model of a real gas 

where  intermolecular  interactions are neglected  (e.g., real gas at  low density). This  limiting case provides a  first 

step for subsequent application of statistical thermodynamics to realistic systems. 

Internalenergy

  In the absence of  intermolecular  interaction, the total energy of an  ideal gas  is equal to the sum of the 

total energy of individual molecules. For an ideal monatomic gas, the molecular energy consists of a translational 

kinetic energy due to molecular motion, and the energy of sub‐atomic particles such as electrons and protons. In 

most cases the latter energy remains constant and it is neglected in our discussion. However, the kinetic energy of 

each  individual gas molecule  is not fixed because of collisions of gas molecules with the system boundary.  If the 

motion  of  each  gas molecule  can  be  described  by  Newtonian mechanics,  the  velocity  distribution  of  the  gas 

molecules is given by (see Box 2) 

   

3/ 2 2

( ) exp2 2B B

m mvp

k T k T

v

  (1) 

where  ( )p v

 is the probability density of gas molecules with velocity  v,  m is the molecular mass,  | |v v

stands 

for the magnitude of velocity, and T  is the temperature in Kelvin. Because  ( )p v

 depends only on the magnitude 

of velocity, it satisfies the normalization condition 2

0( ) 4 ( ) 1d p dv v p v

v v

  Equation (1) is known as the Maxwell velocity distribution, which provides the basis of the kinetic theory 

of gases.  According to Eq.(1), the average kinetic energy per molecule u  is given by 

   2 2 2

0/ 2 4 ( )( / 2) 3 / 2Bu mv dv v p v mv k T

.  (2) 

Eq.(2) indicates that at a fixed temperature, each molecule has an average translational energy of 3 / 2Bk T .  

Page 25: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

25 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  If  the  ideal‐gas  system  contains  N  molecules,  the  internal  energy,  i.e.,  average  total  energy  of  the 

molecular system, is then given by  

    3 / 2BU Nu Nk T .  (3)   

At room temperature ( 298T K), the internal energy of an ideal monatomic gas is 3.716 KJ/mol, independent of 

the molecular mass. 

Microstatesandentropy

  The connection of the microscopic behavior of an ideal gas and its entropy is obtained within the context 

of quantum mechanics.  As shown in Figure 5, we consider N non‐interacting monatomic molecules in a cubic box 

of volume V.   We assume that the box exerts no force to the ideal gas molecules other than elastic collisions that 

maintain an average total energy (or temperature) and that prevent the molecules from escaping. For an ideal‐gas 

system with N  identical molecules, a microstate of the system  is defined by the quantum states,  i.e., the energy 

states of individual molecules. 

 

 

 

 

Figure  5  A)  A  cubic  box  contains N  non‐interacting monatomic molecules.    B)  According  to  quantum 

mechanics, the kinetic energy of each molecule ( i ) is discretised.    

According to elementary quantum mechanics, a monatomic molecule in a rigid cubic box may exist in any 

one of a large number of quantum states that are related to its instantaneous energy  i  by    

            2

2 2 22

( ), ( , , )8i x y z x y z

hn n n i n n n

ma   (4) 

A)

n n

1

2

3

1 2

3 B)

Page 26: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

26 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

where 346.626 10 J sh   is the Planck constant,  m  is the molecular mass,  1/ 3a V  is the side length of the 

box, and  , , 1, 2, 3,x y zn n n  are quantum numbers affiliated with the translational motion of each molecule in 

x, y and z directions.  

As discussed in Section 1.3, imagine that we keep track of the quantum states that a given molecule visits 

in   consecutive steps, with   arbitrarily large. We designate the total number of possible quantum states for 

each molecule as n. Within the duration of observation, the multiplicity (or the number of ways) for the molecule 

in different microstates  is  the same as  the number of different outcomes  to  roll “a super die” with n  facets 

times 

            1 2

!

! ! !n

W

   (5) 

where  i  is the number of times that the molecule is in microstate i , satisfying the normalization condition   

            1

n

ii

.  (6) 

Because the total multiplicity of the outcomes involves   steps, the average number of microstates accessible to 

the molecule at each step is  1/W  where W  is the multiplicity. 

For  a  system  containing  N identical molecules,  the  average  number  of microstates  accessible  to  the 

system is 

            /1

!NW W

N

   (7) 

where  the  factorial  !N   takes  into account  that  the  ideal‐gas molecules are  indistinguishable. According  to  the 

definition by Boltzmann, the entropy of the ideal gas system is thus given by 

             ln ln ln !B B

NS k W k W N

.   (8) 

With Eq.(5) for W and Stirling’s approximation, Eq.(8) can be rewritten as  

Page 27: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

27 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

            1

/( ) ln ln 1n

B i ii

S Nk p p N

,   (9) 

where  /i ip  stands for the probability that a single ideal‐gas molecule is in quantum state i.  

The  second  law  of  thermodynamics  asserts  that  at  equilibrium,  the  ideal  gas  system  is  in  a  state  of 

maximum entropy subject to the constraints of constant internal energy, volume, and total number of molecules. 

The distribution of microstates that gives the constrained maximum can be obtained from the Lagrange‐multiplier 

method  

             1 1

/( ) ( 1) ( ) 0n n

B i i ii ii

S Nk p p up

   (10)   

where   and  stand for the Lagrange multipliers, arising from 

             1

1n

ii

p

,   (11)   

             1

n

i ii

p u

.   (12)   

Eq.(11) imposes a normalization condition for the probability distribution, and Eq.(12) gives the average energy per 

molecule u . Inserting Eq.(9) into (10), we obtain  

            1 i

ip e .   (13) 

We now fix the Lagrange multipliers   and   using Eqs.(11) and (12).  

Substitution of Eq.(13) into (11) gives 

            1

1

i

n

i

e e

.   (14) 

The summation  q  is the single‐molecule partition function; it can be evaluated analytically 

Page 28: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

28 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

            

22 2 2

21

3 3/ 22 2 2

2 2 30

exp[ ( )]8

2exp( )

8

i

x y z

n

x y zi n n n

hq e n n n

ma

h x ma Vdx

ma h

   (15) 

where  2 / 2h m   is the thermal de Broglie wavelength, and  3V a   is the cubic‐box volume.   In Eq.(15), 

replacement  of  the  summation  with  integration  is  justified  because  near  room  temperature,  the  energy  gap 

between different quantum states is exceedingly small in comparison with  Bk T .   

In terms of the single‐molecule partition function, the average energy per molecule is given by  

             1 1

ln/i

n n

i i ii i

qu p e q

.   (16)   

Upon substitution of  q  from Eq.(15) into (16), we find the Lagrange multiplier   

             3/(2 )u .   (17) 

Comparing Eq.(17) with Eq.(2) for the kinetic energy derived from Maxwell’s velocity distribution, we find  

            1( )Bk T .   (18) 

Using  the probability distribution of quantum states  (Eq.13) and  the expression  for  the single molecule 

partition function (Eq.15), we obtain a concise expression for the entropy 

            3/( ) ln( ) 5/ 2BS Nk    (19) 

where  /N V   stands  for  the molecular number density.  Eq.(19)  is  known  as  the  Sackur–Tetrode  equation, 

named after two physicists who derived it independently in 1912. It indicates that for a given monatomic ideal gas, 

the entropy is solely determined by the molecular density and temperature.  

Page 29: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

29 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Ideal‐gaslaw

  Upon examining extensive experimental data, Robert Boyle, Jacques Charles, and Joseph‐Louis Gay‐Lussac 

established  the  ideal  gas  law  in  the  early  eighteenth  century. We  can  derive  the  ideal‐gas  law  using  a  simple 

mechanical interpretation of pressure and the connection between molecular kinetic energy and temperature. 

 

Figure 6 An ideal-gas pressure can be interpreted as the average collision force per unit area on a testing surface.

Here  v  stands for the magnitude of velocity.  

  Consider an elastic collision of an ideal‐gas molecule of mass  m and velocity  v  perpendicular to a surface 

(Figure 6). The collision results in a change of molecular momentum 2mv . At an infinitesimal time  dt , an ideal‐gas 

molecule  reaches  the surface only  if  it  is  located within distance  vdt . Assume  that  the  ideal‐gas molecules are 

uniformly distributed in space; the likelihood of the gas molecule within the collision region is  /vAdt V , where  A  

vdt

surface

Box2Maxwellequation

We  can  derive  the Maxwell  velocity  distribution  from  the  distribution  of  microstates.  In  Newtonian 

mechanics, the energy of an ideal gas molecule is represented by the kinetic energy, i.e.,  

             2 / 2mv .   

In the framework of Newtonian mechanics, a microstate of the system is specified by the position and momentum 

of individual molecules. Because there is no interaction energy between ideal‐gas molecules, Eq.(13) indicates that  

the distribution of microstates is related to the velocity distribution 

            2( ) ~ exp( / 2)p mvv

   

which is identical to the Maxwell equation (Eq.1). Here  v  stands for the magnitude of velocity. 

Page 30: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

30 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

is the surface area, and V  is the system volume. According to Newton’s law, the collision force  F  on the surface 

is  

            2( / )2 (2 / )dt vAdt V mv Adt V mv F .   (20) 

  On average, each ideal‐gas molecule has a translational energy  3 / 2Bk T , i.e.,  / 4Bk T  in each direction of 

the coordinate (i.e., x, y, z, ‐x, ‐y, ‐z). The ensemble average of  2 / 2mv  is  / 4Bk T . From Eq.(20), the force per unit 

area due to the collision of a single molecule with the wall is  

             / /BA k T VF .   (21) 

  For a system containing  N ideal‐gas molecules,  the  total  force per unit area,  i.e., pressure  P ,    is  then 

given by 

             /BP Nk T V .   (22) 

Eq.(22) is the familiar ideal gas law. It indicates that the Boltzmann constant is related to the gas constant by 

             /B Ak R N    (23) 

where 236.02 10AN  is the Avogadro constant. As discussed in numerous classical thermodynamics texts, the 

ideal‐gas law provides a basis for the definition of an absolute temperature scale.   

   

Page 31: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

31 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.7Diatomicandpolyatomicidealgases

We now consider the thermodynamic properties of a diatomic ideal gas based on the same equations for

monatomic systems. The energy of each diatomic molecule includes a translational term identical to that for a

monatomic ideal gas, a vibrational energy due to the bond stretching, and a rotational energy due to rotations of the

two atoms around the center of mass:

22 2

2/3 20

( 1)( , , ) ( 1/ 2)

8 8R R

v R v

n n hh nn n n n h

mV I

(1)

where 1 2m m m stands for the total atomic mass per molecule; 1m is the mass of one atom and 2m is the mass

of the other. Here, ( , , )V Rn n n

are, respectively, quantum numbers affiliated with translational, vibrational, and

rotational motions of each molecule, 0I stands for the moment of inertia. For a diatomic molecule with bond length

b , the moment of inertia is 2

0 1 2 1 2/ ( )I m m b m m . In Eq.(1), we assume that the electronic energy is at the

ground state such that its contribution to the partition function can be neglected.

Summation of all the quantum states leads to the single-molecule canonical partition function

/ 2

/30 0

exp[ ( , , ) / ]1

v

v

V R

T

V R B Tn n n R

V e Tq n n n k T

e

(2)

where 2 /(2 )Bh mk T is the thermal wave length, /v Bh k is the bond vibrational temperature, is the

vibrational frequency, 2 20/(8 )R Bh k I is the rotational temperature related to the molecular moment of inertia

0I , and is a symmetry factor that accounts for the number of equivalent orientation of the molecule ( 2 if

the two atoms are the same and 1 otherwise). Summation of the rotational degrees of freedom takes the

continuum limit, i.e.,0

0R

Rn

dn

, which is accurate for RT .

Page 32: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

32 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Table 1 presents the vibrational and rotational temperatures, v and R , along with the dissociation

energy b for some diatomic molecules. As for the ideal gas of atomic molecules, the canonical partition function

for an ideal gas of N identical diatomic molecules can be calculated from the single-molecule partition function

!

NIG q

N . (3)

Table 1 Parameters for some diatomic molecules. Here b stands for the bond dissociation energy.

V , K R , K b, kJ/mol

H2 6210 85.4 2 430

N2 3340 2.86 2 942

O2 2230 2.07 2 490

CO 3070 2.77 1 882

NO 2690 2.42 1 510

HCl 4140 15.2 1 427

HBr 3700 12.1 1 347

HI 3200 9.0 1 265

Cl2 810 0.346 2 239

Br2 470 0.116 2 190

I2 310 0.054 2 148

From T. L. Hill, An Introduction to Statistical Thermodynamics, Dover (1986) p153.

From the canonical partition function IG , we can derive the internal energy, entropy and heat capacity of

a diatomic ideal gas following the standard statistical-thermodynamic relations:

/

/ln 5/

2 2 1v

IGIG v v

T

TU N

N T e

(4)

Page 33: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

33 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

3

//

1 (ln / )/( ) ln( ) 7 / 2 ln( / )

(1/ )

/ln(1 )

1v

v

IGIG

B R

TvT

S Nk TN

Te

e

(5)

2 /

/ 2

5

2 ( 1)

v

v

TV v

TB

C e

Nk T e

.

(6)

In addition to the translational energy as appeared in a monatomic ideal gas, the internal energy of a diatomic ideal

gas includes contributions due to the molecular rotation and bond vibration. As a result, the molar heat capacity of a

diatomic ideal gas is larger than that of a monatomic ideal gas and it depends on temperature. At low temperature,

/ 1v T , 5 / 2V BC Nk ; and at high temperature, / 1V T , 7 / 2V BC Nk . The form of VC curves

between two limits has been verified experimentally in a number of cases. At very low temperature, the

approximation for rotation (diatomic molecule as a rigid rotator) is no longer valid. In that case, we need to use a

more accurate procedure that gives precise energy levels10. At very low temperature, the heat capacity of a diatomic

gas becomes similar to that for a monatomic gas (i.e., 3 / 2V BC Nk ).

Similar procedures can be applied to a polyatomic ideal gas. For a molecule with only a few atoms (e.g.,

H2O, CO2, NH3), the intramolecular interactions can be represented by semi-empirical bond potentials. In that case,

the single-molecule partition function can be evaluated by using equations similar to those for a diatomic molecule.

In general, we need to use 3n coordinates to specify the positions of all atoms in a polyatomic molecule with n

atoms. Alternatively, the molecular degrees of freedom can be specified by the center of mass (3 spatial

coordinates), the molecular orientation (2 for a linear molecule, e.g., CO2 and 3 for a nonlinear molecule, e.g., H2O),

and 3n-5 (for a linear molecule) or 3n-6 (for a nonlinear molecule) intramolecular vibrations. With a microstate of a

single molecule specified by the translational motion of the molecular center of mass, molecular rotation (as a rigid

rotator), and 3n-5 or 3n-6 vibrational motions of individual atoms relative to the center of mass, we can write the

partition function of a single polyatomic molecule

,

,

/21/2 3/2 3 5 or 6

/31

( / )

1

v i

v i

TnR

Ti

TV eq

e

. (7)

10 S. M. Blinder, Advanced Physical Chemistry: A Survey of Modern Theoretical Principles, New York: Macmillan, 1969 pp. 475–478. 

Page 34: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

34 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

where the rotational temperature R is defined in terms of the three principal moments of inertia AI , BI , and CI

for the molecule

2

1/32

( )8R A B C

B

hI I I

k

. (8)

As before, symmetry number is the number of different ways in which the molecule can achieve the same

orientation in space by rotation. Table 2 gives the symmetry numbers and other parameters of some representative

polyatomic molecules.

For a rigid polyatomic molecule with n atoms, the principal moments of inertia can be calculated from

2 2

1

[( ) ( ) ]n

A i i cm i cmi

I m y y z z

. (9)

2 2

1

[( ) ( ) ]n

B i i cm i cmi

I m x x z z

. (10)

2 2

1

[( ) ( ) ]n

C i i cm i cmi

I m x x y y

. (11)

where im stands for atomic mass, ( , , )i i i ir x y z for the atomic position in an arbitrary Cartesian coordinate, and

( , , )cm cm cm cmr x y z for the molecular center of mass.

1 1

/n n

cm i i ii i

r m r m

. (12)

The vibrational temperature in Eq.(7) is not directly related to the bond stretching but to the independent

vibrational modes of the atoms. For example, Figure 7 shows 4 vibrational modes for a linear molecule and 3

vibrational modes for a nonlinear molecule. Based on experimental infrared and Raman spectra, the four vibrational

temperatures for CO2 are 1890(I), 3360(II), 954(III) and 953 K (IV), and those for H2O are 5404 (I), 2295 (II) and

5262 K (III), respectively.  

Page 35: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

35 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Figure 7 Vibration modes for a CO2 molecule (a) and for a H2O molecule (b)

From the single-molecular partition function, we can again derive the internal energy and heat capacity of

an ideal polyatomic gas:

3 6 or3 5

,

/1

1 1/ 3

2 1V

nn

V iIGT

i

U NT e

(13)

,

,

3 6 or 2 /3 5,

/ 21

3( 1)

V i

V i

nTn

V iVT

iB

C e

Nk T e

.

(14)

For an ideal gas of nonlinear polyatomic molecules, the entropy is

,

,

3 3 6/,3

/31

/1/( ) ln( ) 4 ln ln(1 )

1V i

V i

nTV iIG

B TiR

TTS Nk e

e

. (15)

A similar equation can be given for an ideal gas of linear polyatomic molecules

,

,

3 5/,3

/1

//( ) ln( ) 7 / 2 ln( / ) ln(1 ) .

1V i

V i

nTV iIG

B R Ti

TS Nk T e

e

(16)

  We  close  this  section by  indicating  that  in principle  the properties of an  ideal gas  can be predicted by 

using  the statistical‐mechanical equations but because of  the complexity of  the microscopic details of  individual 

molecules, the practical utility of the “classical” approach discussed above is rather limit. A faithful description of 

the molecular properties requires sophisticated quantum‐mechanical considerations beyond the scope of this text.       

(b) (a)

I.

II.

III.

IV.

O C O

O C O

O C O

O C O

I. II.

III.

O

H H

O

H H

O

H H

Page 36: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

36 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Table 1 Parameters for some polyatomic molecules

V , K

CO2 1890, 3360, 954, 953 2

N2O 1840, 3200, 850(2) 2

NH3 4800, 1360, 4880(2), 2330 (2)

3

CH4 4179, 2180(2), 4320(3), 1870(3)

12

H2O 2290, 5160, 5360 2

The numbers in the parentheses denote degeneracy. From D. A. McQuarrie, Statistical Mechanics,

University Science Books (2000) p137.

 

Page 37: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

37 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.8Idealsolids

  In  an  ideal  solid, we  assume  that  all  atoms  are placed  in  a perfect  lattice  and  their  local motions  are 

uncorrelated.   A  classical example  is provided by  a monatomic  crystal  at  low  temperature where  the  vibrating 

atoms  remain  close  to  their equilibrium positions.  Similar  to  the  ideal‐gas model as a useful  reference  for  real 

fluids, an ideal‐solid model provides a convenient reference state for understanding properties of real crystals. 

  Relative to some ground‐state energy, the energy of an atom i in an ideal solid can be written as a sum of 

the energies of harmonic oscillators in x, y and z dimensions: 

    , , , , , , , , ,

1 1 1( ) ( ) ( ) , 0,1, 2,

2 2 2i i x i x i y i y i z i z i x i y i zE n h n h n h n n n  

(1) 

where  h  is Planck’s constant,  ,i xn ,  ,i yn  and  ,i zn  represent quantum numbers, and  , , ,, ,i x i y i z  are characteristic 

frequencies of  the  solid  in 3‐dimensional  space. Because  the  long‐wavelength vibrations give  rise  to  sound  in a 

solid,  the  quantized modes  of  vibrations  are  called  phonons11.  Phonons  play  an  important  role  in  solid‐state 

thermal and electrical conductivities.  

  Because  the  local  motions  of  individual  atoms  are  independent,  we  can  conveniently  evaluate  the 

thermodynamic properties of an  ideal solid by using a canonical ensemble.   For a solid with N atoms,  the  total 

energy of the system is 

   3

1 1

1( ) 0,1, 2,

2

N N

i j j ji j

E E n h n

  (2) 

where  subscript   denotes a microstate  specified by a  set of quantum numbers  1,3{ }j j Nn   for  the 3N energy 

levels of all harmonic oscillators12.  Assuming that for all atoms the microstates and oscillations in the x‐, y‐ and z‐ 

directions are independent of each other, the canonical partition function Q  can be calculated analytically 

   

/ 213 3( )2

1 1 1

jj j

j

j

hN Nn hEh

nj j

eQ e e

e

  (3) 

11 The word phonon from Greek φονή (phonē) means voice. 12 A harmonic oscillator is a dynamic system where the restoring force from the equilibrium position is proportional to the displacement. 

Page 38: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

38 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

The Helmholtz energy is   

   3

/ 2 / 2

1

ln ln( )i i

Nh h

B Bi

F k T Q k T e e

.  (4) 

From Eq.(4), we obtain all thermodynamic properties by appropriate differentiations of   F . 

  To  evaluate  the  summation  in  Eq.(4), we  need  to  find  the  frequencies  of  all  harmonic  oscillators.    In 

general, these frequencies depend on the structure of the atomic crystal and interactions between atoms on the 

lattice.    To  the  zeroth‐order  approximation,  assume  that  all  the  harmonic  oscillators  have  the  same  vibrating 

frequency  .  In this case, Eq.(4) simplifies to  

    / 2 / 23 ln( )E ET TBF Nk T e e .  (5) 

Eq.(5) was  first  proposed  by  Einstein, where  /E Bh k is  called  the  Einstein  temperature.  For  example,  the 

internal energy U and the constant‐volume heat capacity  VC  are  

       /

3 3

2 1E

E B B ET

N k NkFU

e

  (6) 

      

2 /

/ 2

13

( 1)

E

E

TE

v B TV

U eC k

N T T e

  (7) 

Eq.(7) indicates that  /(3 )V BC k  is a universal function of reduced temperature  / ET .  In other words, Einstein’s 

theory suggests that the heat capacities of simple crystals obey a law of corresponding states. 

In the limit of high temperature or small /E T , / 2 / 2( / ) /( 1) ~ 1E ET TE T e e . In that case, Eq.(7)

reduces to the Dulong‐Petit law that the molar heat capacity of all atomic crystals is  3R  (about 25 J.mol‐1.K‐1).  The 

Dulong‐Petit  law  agrees  reasonably  well  with  experiment  for  a  number  of  simple  elements  at  ambient 

temperatures where quantum effects are minimal.  For example, at 298 K, the experimental heat capacity of Cu is 

25.5 and that of Al is 24.4 J.mol‐1.K‐1.   

  In  the  low‐temperature  limit,  Einstein’s model  predicts  that  the  heat  capacity  of  a monatomic  solid 

approaches  

       

2/3 E TE

v BC k eT

   ( 0T ).    (8) 

Page 39: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

39 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Eq.(8) is not accurate when compared with experiments where  vC ~3T  as  0T . Nevertheless, Eq.(8) correctly 

predicts that the heat capacity is a strong function of temperature at low temperatures and approaches a constant 

at high temperatures. More importantly, Eq.98) correctly predicts that  vC  vanishes in the zero‐temperature limit.  

Early in the 20th century, Einstein’s work on ideal solids provided strong support for the then new quantum theory.  

  Einstein assumed a very simple distribution of the frequencies, viz. all vibrating frequencies are the same.  

A better approximation was proposed by Debye for the distribution of vibration frequencies in monatomic solids. 

Debye’s theory is able to reproduce experimental observations at both high and low temperature limits.   

Figure  8  Some possible  standing waves  (represented by different  curves)  in  a one‐dimensional  crystal lattice according  to  the Debye model. Here L  is  the  total width of  the  lattice. The wavelength  for each 

standing wave satisfies   2 /n L n  where  1,2,n  a positive integer. 

The Debye model is exact in the limit of low frequency or long wavelength where the atomic nature of the

solid is not important, and the crystal can be considered as a continuous elastic body. Debye’s theory assumes that

the harmonic oscillators are standing waves with frequencies independent of the atomic details of the solid. For N

atomic particles in a cube of side L , the wave vector ( k

) of any harmonic oscillator must satisfy

k nL

(9)

where ( , , )x y zn n n n , and , ,x y zn n n are positive integers. Figure 8 illustrates schematically some possible

frequencies for a one-dimensional crystal of length L .

L

Page 40: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

40 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Figure 9 The quantum numbers (nx,ny,nz) that satisfy 

2 2 2 2( / )x y zn n n Lk  are given by one‐eighth the 

volume of a sphere of radius  /Lk . 

According to Eq.(9), the magnitude of a wave vector k

is given by

2

2 2 2 2( )x y zk n n nL

. (10)

The number of standing waves with the magnitude of wave vector less than k , ( )n k , is equal to the number of

possible combinations of , ,x y zn n n that satisfy

2

2 2 2 2( )x y zk n n nL

. (11)

As illustrated in Figure 9, all possible sets of quantum numbers that satisfy Eq.(11) are located within one-eighth of

a sphere with radius /kL . Therefore, the number of quantum states is equal to one-eighth of the volume of the

sphere

3

( )6

Lkn k

. (12)

The number of standing waves with the magnitude of wave vector between k and k dk is then given by

2

2( )

2

Vk dkdn k

(13)

where volume 3V L .

X1 Y1 Z1( )

n y

n x

n z

L k /

Page 41: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

41 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

The frequency of a wave is related to the magnitude of wave vector k

through the relation

| | 2 / sk k c

(14)

where sc represents the velocity of sound. Therefore, the number of standing waves with frequency between and

d is given by

2

3

4( )

s

Vg d d

c

. (15)

Because each particle corresponds to one harmonic oscillator, integration of ( )g from zero to a maximum

frequency D equals the total number of standing waves

0

( ) 3D

g d N

. (16)

Substitution of Eq.(15) into (16) gives

1/ 3

9

4D s

Nc

V

. (17)

This maximum frequency D is called the Debye frequency. In terms of D , the frequency distribution function

( )g becomes

23

90

( )

0

DD

D

Nd

g d

. (18)

With Debye’s assumption for the frequency distribution, the Helmholtz energy of a monatomic crystal

becomes

/ 2

0( ) ln

1

h

B h

eF k T g d

e

. (19)

Upon substituting Eq.(18) into Eq.(19)

/ 2

23 0

9ln

1

Dh

Bh

D

Nk T eF d

e

. (20)

From the Helmholtz energy, we can derive the internal energy

2/( )3 0

9 /( )

2 1

D

B

B Bh k T

D B

Nk T h k TF hU d

k T e

, (21)

Page 42: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

42 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

and the constant-volume specific heat capacity

3 4/

20/ 9

( 1)

Dx

T

V B xD

T x eC k dx

e

, (22)

where /D D Bh k is called the Debye temperature. Similar to the Einstein theory, the Debye theory also predicts

a law of corresponding states for the heat capacity.

/ ET or / DT

Figure 10 Reduced heat capacity of a monatomic crystal according to the theories of Einstein and Debye. 

E  is the Einstein temperature and  D  is the Debye temperature. 

Figure 10 compares predictions of the Debye theory and the Einstein theory for the heat capacity of a

simple solid. While both Debye’s theory and Einstein’s theory predict that the heat capacity converges to the

classical limit at high temperatures, they differ significantly at low temperatures. The Einstein theory predicts that

near 0T K the specific heat capacity is

2

/3 E TEV BC k e

T

, (23)

whereas the Debye theory predicts

0 0.5 1 1.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Debye

Einstein

3V

B

C

k

Page 43: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

43 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

3412

5V BD

TC k

. (24)

The low-temperature limit of the Debye theory is in good agreement with experiment. For Einstein’s theory, the

low-temperature heat capacity erroneously falls to zero more rapidly than 3T . Because the Debye theory considers a

crystal to be a continuous elastic body, in principle, the Debye temperature can be calculated in terms of the crystal’s

elastic constants. However, in practice, the Debye temperature is often obtained by fitting experimental VC data at

low temperature. Table 2 gives the Debye temperatures for some atomic crystals.

The Debye theory for atomic solids provides a highly idealized model for crystalline solids. When

compared with experiment, as shown qualitatively by Figure 11, at high frequencies there are serious errors in the

Debye theory, even though it agrees reasonably well with experiment in the low-frequency end. Fortunately, for

macroscopic thermodynamic quantities, such as heat capacity, errors at high frequencies are often not important.

Figure  11  A  typical  frequency  distribution  ( )g   for  a monatomic  crystal.  The  solid  curve  represents 

experimental  results  while  the  dashed  curve  represents  Debye’s  approximation.  Here  the  maximum 

Debye frequency is 0.8. Einstein’s model uses only a single frequency, i.e.,  ( )g  is given by a Dirac delta 

function.  

The Debye theory of atomic crystals is remarkably successful for describing experimental observations of

heat capacity at low temperatures for pure crystalline solids including metals, alkali halides and diamond. At low

temperatures, the low-frequency part of the vibrational modes are well approximated by the continuous theory of

elasticity because at high temperatures, the heat capacity is determined by an average over the entire frequency

g(v)

v

Page 44: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

44 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

range with the limit 3V BC k as / DT . As a result, to a good approximation, errors of the Debye theory for

the high-frequency contributions tend to cancel.

Table 2 The Debye temperatures (K) for some atomic crystals  

Ag  225  Fe  470 Na 158 Si 645 

Al  428  Ga  320 Nb 275 Sn 200 

Ar  92  Gd  200 Ne 75 Sr 147 

As  282  Ge  374 Ni 450 Ta 240 

Au  165  Hf  252 Os 500 Te 153 

Ba  110  Hg  71.9 Pb 105 Th 163 

Be  1440  In  108 Pd 274 Ti 420 

Bi  119  Ir  420 Pt 240 Tl 78.5 

C  2230  K  91 Rb 56 U 207 

Ca  230  Kr  72 Re 430 V 380 

Cd  209  La  142 Rh 480 W 400 

Co  445  Li  344 Rn 64 Xe 64 

Cr  630  Lu  210 Ru 600 Y 280 

Cs  38  Mg  400 Sb 211 Yb 120 

Cu  343  Mn  410 Sc 360 Zn 327 

Dy  210  Mo  450 Se 90 Zr 291 

From C. Kittel, Introduction to Solid State Physics (7th Ed, 1995).

As the ideal gas models discussed in Sections 1.6 and 7, the theories of Einstein and Debye illustrate the

general procedure for applying statistical mechanics to calculation of macroscopic thermodynamic properties. The

partition function is evaluated using a microscopic model for the substance of interest, in this case, a simple

monatomic crystal. The model describes the substance in terms of molecular properties, in this case, characteristic

energies of vibration and their distribution. Once we have an expression for the partition function Q , we obtain

macroscopic thermodynamic properties through the key equation lnBF k T Q .

 

   

Page 45: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

45 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.9Photonsandthermalradiation

Photons13 provide an example to illustrate that statistical thermodynamics is useful not only for systems 

containing molecules  but  also  for  those  containing  a  large  number  of  virtually  any  elements  or  particles.  The 

difference  between molecular  systems  and  statistical  systems  of  “particles”  is  only  reflected  by  the  way  we 

describe  the  energy  or  the  dynamic  behavior  of  individual  particles  that  comprise  the  statistical‐mechanical 

system.     

Planckdistribution

  Early  in  the  twentieth  century, Planck  suggested  that photons  are distinct units of an electromagnetic 

wave such as gamma‐ and X‐rays, visible light, infrared and radio waves. The energy of a photon is proportional to 

the frequency of the electromagnetic wave 

  h   (1) 

where  h  is Planck’s constant, and    is the frequency. Different from atoms or electrons, photons do not interact 

with each other because they have neither electric charge nor rest mass14. 

  Consider  a  system  of  photons  in  thermal  equilibrium  with  its  container.    The  photons  are 

undistinguishable  from  each other but, because of  emission  and  absorption  from  the  container wall,  the  total 

number of photons is not conserved.  We seek to derive the distribution of photons among different energy states 

at a given temperature.   A microstate of the system  is specified by the number of photons  1 2, ,n n  …  in different 

energy states denoted, respectively, by  1 , 2 , …  . The occupation number,  i.e.,  the number of photons  in each 

energy state, may vary from zero (unoccupied) to infinity.  Because photons are non‐interacting, the total energy 

of the system is a sum of all energies for individual photons 

  1 1 2 2E n n   (2) 

At a given temperature, the canonical partition function,  

13 Photon is derived from the Greek word phos that means light. 14 According to Einstein's special theory of relativity, the mass of an object increases with its velocity. When an object is at rest (relative to the observer), it has the usual mass that we call the “rest mass”. 

Page 46: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

46 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  exp( )Q E

,  (3) 

can be evaluated analytically 

 

1 2

1 2

1 1 2 20 0

1 1 2 20 0 1

exp ( )

1exp( ) exp( )

1 i

n n

n n i

Q n n

n ne

  (4) 

With the help of Eq.(2), we find the average number of photons at an energy state  i  

 

,

( / )ln 1

1

v v

v v i

j i

E Ei i

i E Ei T

n e eQ

ne e e

  (5) 

Eq.(5)  is  the Planck distribution;  it describes  the  thermal average number of photons  in a single energy state or 

mode of frequency.  

Thermalradiation

At  a  finite  temperature,  any  material  emits  or  absorbs  electromagnetic  waves  or  radiation;  some 

materials emit  (or  absorb)  radiation more efficiently  than others, but  regardless of  the  specific properties of  a 

material, it is the temperature of the material that plays a major role in thermal radiation. A black body provides 

an  idealized  model  of  thermal  radiation  where  the  efficiency  of  absorption  and  emission  is  100%  for 

electromagnetic waves of arbitrary frequency.  

  Consider photons  in a container  shown  schematically  in Figure 12.   The distribution of  the microstates 

satisfies the Planck distribution (Eq.5). From the canonical partition function (Eq.4), we find the internal energy of 

the system 

 1 1

ln

1 1i i

i ih

i i

hQU

e e

.  (6) 

Because the container emits and absorbs photons, the  internal energy can be understood as the total energy of 

the black‐body radiation. 

.

Page 47: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

47 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Figure 12 A simple model of a black body is provided by a small hole on the side of a container.  Radiation entering the hole from the outside is repeatedly reflected inside the container with essentially no chance of  escape,  i.e.,  the  radiation  is  completely  absorbed.    Similarly,  when  the  container  is  heated,  the efficiency of emission through the small hole is also 100%.   

  To evaluate the summation in Eq.(4) or (6), we assume that the container is a cubic box with length   L . 

Imagine that each photon is a standing wave contained in the box. The photon wavelength  is then related to the 

box length by 

  / 2L n 

                 (7) 

where n is a positive integer. Because the photon frequency is related to the speed of light  c  

 2

c cn

L

,  (8) 

the summation of quantum states in Eq.(4) or (6) is thus equivalent to integrations in the continuum limit 

 3

23 30 0 0 0

0 0 0

(2 ) 22 2 4

x y z

x y zi n n n

L Vd d d d

c c

  (9) 

where  3V L  is the system volume. The factor 2 comes from photon polarization, i.e., photons can be electrically 

polarized in clockwise or counter‐clockwise directions.   

  Because the frequencies are very closely spaced, we replace the summation in Eq.(6) with integration of 

the frequency according to Eq.(9) 

Entering radiation Isothermal wall of the

container at temperature, T

Page 48: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

48 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 2 5

3 3 40

8 8

1 15( )h

h V d VU

e c hc

.   (10) 15 

Recalling  that1( )Bk T   ,  Eq.(10)  predicts  that,  as  experimentally  observed,  the  total  energy of  photons  (or 

energy of thermal radiation) is proportional to 4T . 

 

Figure 13 The spectrum of black body radiation according to Eq.(12). As predicted by Wien’s law, the peak of  emission  occurs  at  a  wavelength  inversely  proportional  to  temperature  (in  Kelvins),  i.e., 

3max 2.9 10 /T  (in meters). 

  According to Eq.(10), the internal energy per unit volume for photons with frequency between   and  

d  is  

 3

3

8( )

1h

h du d

e c

  (11)  

Because  /c  and  2( / )d c d ,  Eq.(11) becomes 

  5 /

8 1( )

1hc

hcu

e

  (12)  

15  Because

3 4

0 1 15x

x dx

e

, we obtain Eq.(10) by replacing  x with  h .  

0

1

2

3

4

0 1000 2000 3000

Rad

iation intensity (eV/m

4)

Wavelength, nm

5000

4000

3000

Temperature, K

Page 49: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

49 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

The spectral energy density function  ( )u  has units of energy per unit wavelength per volume. As shown in Figure 

13,   ( )u  exhibits a maximum at a wavelength approximately equal to 

3max 2.9 10 /T  .  (13) 

where  max  is meters and the temperature T is in Kelvins. Prior to Planck, Eq.(13) is known as Wien's displacement 

law, first derived in 1893 by applying the laws of thermodynamics to electromagnetic radiation.  

  The  internal  energy  given  by  Eq.(10)  corresponds  to  the  total  energy  of  black‐body  radiation  in  all 

directions. At a single direction, the radiation energy per surface area and per unit time is  

 2

5 /

2 1( ) ( )

4 1hc

c hcI u

e

  (14)  

where  4 accounts for the solid angle (because the radiation is the same in all directions), and the speed of light 

c  is equivalent to the volume of photons propagated per unit time per unit area. Eq.(14) is known as Planck’s law 

of black‐body radiation, in excellent agreement with experiment. Planck’s law provided strong evidence in favor of 

the quantum theory that led to quantum mechanics about 25 years later.  

From the internal energy of photons (Eq.10), we can also derive the Stefan-Boltzmann law for the total

amount of thermal radiation. As illustrated in Figure 14 for radiation from a unit area of a black body A , the

radiation energy per unit time is given by the energy density multiplied by the volume of photons propagated per

unit time in area A . The total amount of energy radiated per unit time per unit area from all directions is given by

integration with respect to the solid angle:

5

2 423 40 0

8sin cos

4 4 15( )

c U cI d d T

V hc

(15)

where 4282345 KW/m1067.5)15/(2 chk B is called the Stefan-Boltzmann constant. While was

determined by experiment before the work by Planck, Eq.(15) relates this macroscopic constant to the

microscopic properties of an idealized (black-body) radiator. Derivation of the Stefan-Boltzmann relation tells us

why total radiation intensity I is proportional to the fourth power of absolute temperature T as had been previously

observed experimentally.

Page 50: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

50 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Figure  14  From  an  area  A   at  the  black‐body  surface  in  the  direction  specified  by  angles  ( , the 

radiation energy per unit time  is given by the cylinder volume  cosc dt A  multiplied by radiation 

energy  intensity  /U V .    The  total  energy  per  unit  area  per  unit  time  at  all  angles  (0 2 , 

02

) is 2

2

0 0

cossin

U cd d

V

, leading the Stefan‐Boltzmann relation (Eq.15). 

This brief discussion of radiation illustrates how statistical mechanics provides a powerful tool for

understanding a well-known natural phenomenon.

     

Direction of radiation specified by a solid angle

A

Direction normal to the unit area

Page 51: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

51 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.10Isingmodel

  To gain an understanding of how  the microscopic details of  individual particles determine macroscopic 

properties of a thermodynamic system,  it  is useful to consider simple mathematical models. Once these models 

are understood, it is then possible to apply corrections toward representing real systems. This procedure is often 

used in science. For example, we use the well‐understood properties of an ideal gas as a basis for understanding 

real gases; we apply corrections  through a compressibility  factor  that perhaps we obtain  from a corresponding‐

states correlation or from a realistic equation of state. Similarly, for vapor‐liquid equilibria of nonelectrolyte liquid 

mixtures we start with an ideal mixture (Raoult’s law) and then apply corrections through activity coefficients. 

For possible extension to real systems, we desire an  idealized model that retains the essentials of some 

aspect of nature without attention to details.  One model that possesses these features is the Ising model, where 

each  element  in  the  thermodynamic  system  has  only  two  energy  states.    The  Ising model  provides  a  simple 

representation of diverse phenomena  in nature,  in particular, phenomena related to phase transitions,  including 

the critical region.  

 

  

   Figure 15 The concept of spin in a magnetic material. Here the particle of interest is an electron. 

When Wilhelm  Lenz  and  his  PhD  student  Ernst  Ising  introduced  the  Ising model  in  1925,  they were 

concerned with a model for ferromagnetism, a property exhibited by some metals or alloys, such as the various 

form  of  iron,  steel,  cobalt  and  nickel;  for  these materials,  below  a  certain  temperature,  the  atomic magnetic 

moments tend to  line up  in a common direction.   The concept of spin was used to represent an  intrinsic angular 

Spin of an electron around nucleus is clockwise

Spin of an electron around nucleus is counter-clockwise

Spin is aligned with magnetic field giving a lower energy, h

Spin is counter to magnetic field giving a higher energy, h

External magnetic field

Page 52: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

52 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

momentum of particles such as electrons and protons as  indicated  in Figure 15.    Intuitively, elementary‐particle 

spin  is  a  rotation  about  the  axis  of  the  particle;  only  two  spin  states  are  possible,  one  clockwise  and  one 

counterclockwise.  In the presence of an external magnetic field, the particle’s magnetic dipole tends to align with 

the external field, giving a  lower energy  h .   When the magnetic dipole  is counter to the external field,  it has a 

higher energy  h . As demonstrated later in this section, we can establish the canonical partition function Q for a 

one‐ or two‐dimensional Ising model.  Regrettably, the exact partition function for a three‐dimensional Ising model 

remains unknown but it is possible to obtain a good three‐dimensional approximation from molecular simulations.  

We now discuss  the  thermodynamic properties of  Ising models and  illustrate  their application  to  three 

phenomena: the charged‐uncharged transition of a weak polyelectrolyte, a monolayer of carbon monoxide on a 

graphite  surface, and binary  liquid‐liquid equilibria near  the consolute  (critical)  solution  temperature.   The next 

section discusses another application of the Ising model: the helix‐coil transition of a biomacromolecule (e.g., DNA 

or a polypeptide).   

Ising chain 

Figure 16 shows a schematic representation of the one‐dimensional Ising model, in effect, an Ising chain. 

Each spin can only be in one of the two energy states represented by up and down arrows.  For an Ising chain with 

ferromagnetic  interactions16,  the energy between  two neighboring  spins  is negative  ( ) when  they are  in  the 

same direction  (aligned); otherwise  it  is  , as  indicated  in Figure 17.  In  the presence of an external magnetic 

field, each spin has a negative energy  h  when it is up (aligned with the external field), and a positivity energy h 

when it is down (otherwise).   

 

Figure 16 The one‐dimensional  Ising model  is a  linear chain of N spins. Here each arrow represents the direction of a spin. In a paramagnetic system, there is a positive coupling energy   when two immediate 

neighboring spins are in the same direction (aligned) and a negative energy   when they are in opposite 

16 If  0 , the interaction is ferromagnetic and if  0 , it is antiferromagnetic. 

1 4 3 N - 2 N - 1 2 N

Page 53: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

53 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

directions.  In  a  ferromagnetic  system,  the  coupling  energies  are  negative  when  two  immediate neighboring spins are aligned and positive otherwise.  

For an Ising chain of N spins, each microstate is specified by the spin orientations (i.e., up or down), i.e.,  

  1 2, , ,...,i Nv s s s s   (1) 

where  1is  means spin up, and  1is  means spin down.  In the presence of an external magnetic field, the 

system energy is  

  1 2 1 2 2 3 1( ) ( )v N N NE s s s h s s s s s s .  (2) 

where  is h   stands  for  the  energy of  spin  i due  to  the  external  field,  and  1i is s   stands  for  the  interaction 

energy between spin  i  and its nearest‐neighbor  1i .   

 

 Figure 17  Interactions of neighboring spins  in a ferromagnetic system.    If neighboring spins are aligned, the pair energy is  .  If neighboring spins are not aligned, the pair energy is  .  

  The canonical partition function is defined as a summation of the Boltzmann factors for all microstates: 

 

1

11 1

11

N N

i i iv i i

i

N h s s sE

v si

Q e e

.  (3) 

where  1

Bk T .  

or

Pair energy:

or

Pair energy:

Page 54: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

54 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

  To a good approximation, the partition function of an Ising chain is given by (see Box 3) 

 NQ     (4) 

with  

 2 4cosh( ) sinh ( )e h h e

.  (5) 

From the partition function, we find the Helmholtz energy 

  ln lnB BF k T Q Nk T .  (6) 

All thermodynamic properties of the system can be obtained from differentiation of Eq.(6). 

Box3PartitionfunctionforanIsingchain

In the limit of large N (or the chain is cyclic), the reduced total energy can be expressed as

N

i

N

i

N

iiiiiiiiv sssshssshE

1

1

1 1111 2/)( .

Because

1 1

( )

1 1 1( )1 1

exp[ ( / 2 / 2) ]i i i i

hT

i i i i ihs s s s

e eh s s s s s

e e

where (1,0)is for 1is and (0,1)is for 1is , the partition function can be written as

1 2 2 3 1{ }

( ) ( ) ( ) ( )v

i

E T T TN

v s

Q e s M s s M s s M s (*)

where ( )

( )

h

h

e eM

e e

. Because i

Ti i

s

s s I , the unit matrix, Eq. (*) can be simplified as

1

1 1 Tr( )N T N

s

Q s M s M

where Tr( )NM stands for the trace of matrix NM~

.

The standard way for evaluating a trace of a matrix is by diagonalization. The eigenvalues of matrix M~

can be found from

0)~

(Det IM (**)

where Det stands for determinant of a matrix. Solution of Eq.(**) for gives two eigenvalues

42 )(hsin)cosh( ehhe .

The trace of NM~

is then given by

QMTr NNN )~

( .

When N is large, and NN , the partition function, can be approximated by

NQ .

This approximate partition function is used in Eq.(4) of the main text.

Page 55: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

55 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 Figure  18  Average magnetization  of  an  Ising  chain  as  a  function  of  reduced  external  field  h ,  and 

reduced interaction energy  .  

  The average magnetization is defined as the ensemble average of  s  

  1 2

1Ns s s s

N .  (7) 

When  0s , the spins have the same probability of up and down, i.e., there is no net magnetism. If  0s , 

the system exhibits a net magnetism. From the partition function (Eq.3), the average magnetization is 

 2 4

ln1 ln sinh( )

sinh ( )

Q hs

N h h h e

  (8) 

where  sinh  is the hyperbolic sine function.   

‐1

‐0.5

0

0.5

1

‐2 ‐1 0 1 2

<s>

h

=0.01

=1

=0.01

Page 56: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

56 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  Figure 18 shows that the average magnetization  s  is a smooth function of the reduced external energy 

h .  For small h and low temperature,  2sinh ( ) exp[ 4 ]h  and  1s .  In the limit of zero temperature, 

h  is large for any non‐vanishing external field, and the system reaches magnetic saturation17. 

ThermodynamicPropertiesofIsingChain

  We now  consider  the  thermodynamic properties of  an  Ising  chain  in  the  absence of  an external  field.  

When h=0 (no external field), the Helmholtz energy of an Ising chain (Eq.6) simplifies to 

  / ln[2cosh( )]F N .  (9)18 

From Eq.(9), we can derive the internal energy 

  / ( / ) / tanh( )U N F N   (10) 

and the heat capacity  

 2

2

( )/

cosh ( )V BC U T Nk

.  (11) 

Figure  19  shows  Helmholtz  energy,  internal  energy,  entropy,  and  heat  capacity  of  an  Ising  chain.    All  these 

thermodynamic  properties  are  smooth  functions  of  reciprocal  reduced  temperature  .    As  temperature 

approaches zero ( ), the spins are  in the  lowest energy state where they are perfectly aligned  in one or 

the other direction.  In this case, the heat capacity vanishes because, if  Bk T  is too small compared to the coupling 

energy  , a small rise in temperature does not change the spin alignment.  As temperature increases further, the 

internal energy becomes  less negative because  fewer spins are aligned.    In  the  limit of high  temperature  (small 

), the entropy dominates the Helmholtz energy and the spins favor a random distribution.   In this case, both 

internal  energy  and  heat  capacity  vanish.    Whereas  Helmholtz  energy,  entropy  and  internal  energy  are  all 

monotonic functions of  , the heat capacity exhibits a maximum at approximately  1.2 . 

17 At saturation, all spins are aligned, i.e.,  s 1 or ‐1. 18 This equation is valid only in the limit of large N.  It can be shown that the exact partition function for an Ising chain of 

arbitrary N at zero field is  )(cosh2 1 NNQ . 

Page 57: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

57 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Figure 19 Thermodynamic properties of an Ising chain in the absence of an external field as functions of 

reduced temperature / Bk T .   At  low temperature (right end of the first diagram),  F U , but at 

high temperature,  F TS . 

  In the absence of an external field ( 0h ), the average magnetization of an Ising chain is always zero.  In 

other words, without an external field, the spins in an Ising chain will not be spontaneously aligned.  Spontaneous 

magnetization is absent because in an Ising chain, the energy reduced due to alignment is insufficient to overcome 

the entropy lost relative to the state where the spin orientations are random.   

  To illustrate the interplay of entropy and internal energy, consider an Ising chain where all spins are up, as 

shown in Figure 20.  In this case, the spins are in an ordered state,  1s  and the total energy is  ( 1)oE N

 

Figure 20 An ordered Ising chain refers to the state when all spins are aligned. 

Now consider a set of disordered states, all with the same energy.   One disordered state  is shown  in Figure 21.  

Suppose that for all positions from 1 to l, the spin is up and for all subsequent positions, the spin is down. 

‐3

‐2

‐1

0

0 1 2 3

F/N U/N

‐S/(NkB)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 1 2 3 4 5

Cv/(Nk B)

1 2 3 4 N

Page 58: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

58 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 Figure 21 A disordered Ising chain where  1is  for 1 to l, and  1is  for  1i l  to  N . 

  There  are  N‐1  such  states  because  l  can  vary  from  2  to  N.    Regardless  of  l,  the  system  energy  is 

2oE E .   At  temperature T,  the Helmholtz energy difference between  the  two states shown  in Figures 20 

and 21 is approximately19 given by 

  2 ln( 1)BF k T N   (12) 

In the limit  N ,  F  is always negative for all  0T , indicating that disordered states are always more likely. 

Therefore, an infinitely‐long one‐dimensional Ising model with only nearest‐neighbor interactions20 does not show 

spontaneous magnetization.   

 

Titrationofaweakpolyelectrolyte

  We now apply  the  Ising‐chain model  to  the acid‐base equilibrium of a weak polyelectrolyte,  such as a 

polyamine. Figure 22 shows the chemical structure of a poly (ethylene imine) chain and a schematic representation 

of an Ising model.  In this example, a spin corresponds to one repeating unit of the poly(ethylene imine) chain.  Let 

in   indicate the state of an  ionizable group:  0in   if an  ionizable site (amine group)  is neutral, and  1in   if  it  is 

protonated.   A microstate of this system  is specified by the protonation states of the amine groups of the entire 

molecule, characterized by  1 2 3, , ...n n n . We want to find the fraction of protonated amine groups as a function of 

pH. 

19 Eq.(12) is approximate because energy difference  U  and entropy difference  S  are evaluated independently, with 

approximations  2U  and  )1ln( NkS B . 

20 For a chain of finite size, spontaneous magnetization ( s  greater than zero) occurs approximately at 

)1ln(/2/ NTkB .  Order‐disorder transition of a finite Ising chain has been discussed by Altenberger A.R. and Dahler 

J.S., Advances in Chemical Physics, vol.112, 337‐356 (2000). 

1 2 3 ℓ ℓ+1 N

Page 59: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

59 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Figure 22 Representation of a weak polyelectrolyte, poly  (ethylene  imine), and  the corresponding  Ising model.  Here, each spin corresponds to a CH2CHNH2 or CH2CHNH3

+ group. In positions 1 and 2, where the ionizable groups  (NH2) are neutral,  they are  in  the  spin‐up  state, while  in position 3, where  the NH2  is protonated, we have a spin‐down state.   

  For a particular microstate,  the  total energy can be approximated by  the nearest‐neighbor  interactions 

among all protonated sites 

 '

v i jij

E n n   (13) 

where the primed sum extends to only the nearest‐neighbor pairs, and   stands for magnitude of the interaction 

energy between two neighboring spins.  The canonical partition function of the system is given by 

 '

0,11

i j iij i

i

n n nN

ni

Q e

  (14) 

where    stands  for  the  protonation  energy.  Because    applies  to  individual  sites,  it  is  equivalent  to  an 

external one‐body potential  in the Ising‐chain model.  Different from the canonical partition function for an Ising 

chain, however, we use  in 0 or 1 instead of ‐1 or 1.  That difference can be removed by changing of variables 

  2 1i is n .  (15) 

With Eq.(15), the canonical partition function can be rewritten as 

 11

exp[ ' / 4 ( ) / 2 constant]i

N

i j is ij ii

Q s s s

.  (16) 

where the constant has no effect on the properties of the system. The average degree of protonation  in  can be 

found from a comparison with the equation for the average magnetization (Eq.8) 

NH3+H2N H H H H2N

C C C C C C

HH H H H H

H

1 2 3

Page 60: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

60 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 2

1 sinh[ ( ) / 2] 1

2 22 sinh [ ( ) / 2]

sn

e

  (17) 

To use Eq.(17), we need to find a relation between the energy of protonation and pH. Toward that end, we

consider the dissociation equilibrium of a single base group (with all neighboring bases remaining neutral)

aKBH B H (18)

where the dissociation constant Ka can  be  approximated  by  that  of  the  monomeric  group. The Henderson-

Hasselbalch equation relates the pH with apK

loga

BpH pK

BH

(19)

where the square brackets stand for activity. From Eq.(19), we can calculate the protonation energy

ln[ ] ln[ ] ln(10) ( )aBH B pK pH . (20)

 

Figure 23 Titration  curves  for a weakly  ionizable polyelectrolyte and  its  corresponding monomer.   The curve  for  the monomer  is  calculated  according  to  the  standard base‐acid equilibrium  and  that  for  the polyelectrolyte is from the one‐dimensional Ising model [Eq.(17)].  

  Figure 23 shows the degree of protonation,  n , as a function of pH for a long ionizable polyelectrolyte 

with  10apK  and  2 . For comparison, Figure 23 also shows the degree of protonation as a function of pH 

for a monomer with only one  ionizable group.   The titration curve  for the polybase  is different  from that  for  its 

Fra

ctio

n o

f p

roto

nat

ion

2 4 6 8 10 12 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

monomer =2 polyelectrolyte

pKa=10

pH

Page 61: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

61 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

monomeric  counterpart;  the  former proceeds  in  two  steps due  to  the  interaction between nearest neighbors, 

while the  latter proceeds  in a single step.   The prediction of the Ising model provides only qualitative agreement 

with experiments; because Coulomb forces are long‐range, it is not sufficient for Eq.(13) to consider only nearest‐

neighbor  interactions.  To  obtain  quantitative  agreement with  experiment, we must  also  consider  interactions 

between protonated groups that are not nearest neighbors21. Nevertheless, this example illustrates how a simple 

model (the one‐dimensional  Ising chain)  is useful for obtaining the essential features of a real phenomenon. For 

accurate results, corrections must be applied.   

Two‐dimensionalIsingmodel

  In  the  two‐dimensional  Ising model,  each  spin  is  in  contact with  four  neighboring  spins.    At  a  given 

microstate, specified by the orientations of all spins, the system energy is  

  , 1, , , 1( )v ij i j i j i j i ji j i j

E h s s s s s   (21) 

Eq.(21) is the two‐dimensional form of Eq.(2) for the one‐dimensional Ising chain.  In Eq.(21),  , 1i js  stands for a 

spin orientation, and subscripts  i  and  j  give the spin  index (row and column).   As  in the one‐dimensional  Ising 

chain,  h  stands for the  interaction energy between a spin and an external field, and    is a coupling parameter 

such that, when the interaction energy of two aligned neighboring spins is   , the system is called ferromagnetic 

but if it is  , it is called paramagnetic.   

21 Borkovec M. and Koper G.J.M., Ber. Bunsenges. Phys. Chem., 100(6), 764‐769 (1996). 

Page 62: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

62 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Figure 24 In a two‐dimensional Ising model each spin interacts with its four immediate neighbors. 

  In  the  absence of  an  external  field,  the partition  function  for  a  two‐dimensional  Ising model was  first 

derived by Lars Onsager in 1944. However, no analytical solution has as yet been found if there exists an external 

field. Because  the mathematical details of  the derivation  are  complex,  the derivation  is not  given here22.   We 

discuss only the thermodynamic properties derived from Onsager’s partition function for the ferromagnetic case. 

22 A detailed derivation is presented in Equilibrium Statistical Physics, M. Plischke and B. Bergersen, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.(1994). 

Page 63: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

63 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Figure 25 The effect of temperature on magnetization for a two‐dimensional Ising model. In the absence 

of an external field, the reduced critical temperature  /B ck T  of the phase transition is 2.269.   

     Using Onsager’s partition function, the average magnetization is given by 

 4 1/8[1 sinh(2 ) ]

0c

c

T Ts

T T

`  (22) 

where  /B ck T 2.269  is the critical temperature or Curie temperature23.   Unlike a one‐dimensional  Ising chain, 

the two‐dimensional  Ising model exhibits spontaneous magnetization at reduced temperatures below  cT . Figure 

25 shows  s  as a function of temperature.  When  cT T , the majority of the spins are aligned ( s  is greater 

than zero) without an external field and the system is magnetized, i.e., in a ferromagnetic state.  However, when 

cT T , the spins are randomly oriented and the average magnetization is zero, corresponding to a paramagnetic 

state.  Because  s  reflects the status of “order” or alignment of spins in the Ising model, it is often referred to as 

the order parameter.  

23 The Curie temperature is the maximum temperature where the material is ferromagnetic. At any temperature above the Curie temperature, there is no spontaneous magnetization. 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 1.5 2 2.5

Magnetization

kBT/

Page 64: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

64 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  From Onsager’s partition function, we obtain the Helmholtz energy, internal energy and heat capacity for 

a systems of  N spins at zero field 

 2 2

/ 2

0

1 1 sin1/ ln[2cosh(2 )] ln

2

q xF N dx

  (23) 

  212/ coth(2 ) 1 2 tanh (2 ) 1

KU N

  (24) 

  2 2 21 2

4/( ) coth(2 ) 1 tanh (2 ) / 2 2 tanh (2 ) 1V BC Nk K K

  (25) 

where 

 22sinh(2 ) / cosh (2 )q   (26) 

 2 2

/ 2

1 0 2 2

sin

1 sin

q xK dx

q x

  (27) 

  1/ 2/ 2 2 2

2 01 sinK q x dx

  (28) 

 

Figure 26 Thermodynamic properties of the two‐dimensional  Ising model at zero external field.   For the heat  capacity,  the  solid  line  is  from  Eq.(25)  and  the  dashed  line  is  from  the  scaling  law  Eq.(30).  The 

important  result  shown here  is  the  singularity  in  VC  at  the  critical  temperature  / 2.269Bk T . The 

reciprocal of 2.269 is 0.441.    

0 0.2 0.4 0.6 0.82

1.5

1

0.5

0

-S/NkB

U/N

F/N

0.434 0.439 0.443 0.4481

3

5

7

Cv/NkB

Page 65: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

65 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  Figure 26 presents thermodynamic properties of the two‐dimensional Ising model as functions of  .  At 

first sight, the Helmholtz energy, internal energy and entropy profiles in a two‐dimensional Ising model (Figure 26) 

appear to be similar to those for a one‐dimensional Ising chain (Figure 19).  In both cases, the major contribution 

to Helmholtz energy  F   is U  at  low temperature and  TS  at high temperature.   However, closer  inspection of 

Figure  26  indicates  that  in  the  two‐dimensional  case,  the  internal  energy  and  entropy  profiles  show  inflection 

points.   These  inflection points  indicate  the occurrence of a  singularity  in heat capacity, as  shown  in Figure 26.  

Singularities  of  some  thermodynamic  properties  represent  the  most  important  characteristics  of  a  phase 

transition24. 

  Near the critical temperature, the Ising model indicates that the average magnetization and heat capacity 

obey scaling laws25 

  1/ 8( ) ,c cs T T T T   (29) 

  28/ ( ) ln 1 constantB

V cc

k TC N

T

.  (30) 

The critical exponent 1/8 and the  logarithmic function characterize a phase transition  in a two‐dimensional  Ising 

model.   

  To  illustrate  the  scaling  law  for  a  two‐dimensional  phase,  Figure  27  presents  the  singularity  of  heat 

capacity  for  a  monolayer  of  carbon  monoxide  on  graphite.    Near  the  critical  temperature,  the  effect  of 

temperature on heat capacity agrees well with the two‐dimensional Ising scaling law (Eq.30).  

 

24 A phase transition is second order if the order parameter, here  s , is continuous when the system changes from one phase 

to another. The phase transition of the two‐dimensional Ising model at the critical point provides an example of a second‐order phase transition.  A phase transition is first order if the order parameter varies discontinuously, as in the condensation of a 

vapor to a liquid where the order parameter is the fluid density. Scaling law for  s  is shown in Eq.(29). 

25 A scaling law describes how some quantity (e.g.,  s  or  vC ) varies with some independent variable as ( TTc ) or 

( ) /c cT T T , the deviation of the system’s temperature from its critical temperature. 

Page 66: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

66 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

 

Figure  27  Heat  capacity  CV  versus  | | /c cT T T   for  N  carbon monoxide molecules  adsorbed  on  a 

graphite surface at 75% coverage.   The points are obtained  from measurements and the solid  lines are fitted to the two‐dimensional Ising scaling law, Eq.(30). (From H. Wiechert and S.A. Arlt, Phys. Rev. Lett., Vol. 73, 2090, 1993). 

Three‐dimensionalIsingmodel

  For  many  years,  phase  transition  occupied  a  much‐studied  position  in  statistical  physics.    Although 

examples of phase transitions are abundant (e.g., the freezing of water or the condensation of a vapor to a liquid), 

the  fundamental physics of phase  transition  is hard  to understand, especially near  the  critical point where  two 

coexisting fluid phases become  identical26.   The three‐dimensional  Ising model provides a suitable model system 

for describing some of the essential features of phase transitions.  Regrettably, however, no one has been able to 

derive exact analytical expressions for the thermodynamic properties of the three‐dimensional Ising model; it now 

appears  that  such  analytical  expressions may  never  be  found.    However,  numerical  solutions  from  computer 

simulations and from calculations based on renormalization‐group‐theory have provided some useful insights into 

26 Solid‐liquid transitions do not have a critical point. 

 

log

-3 -2 -1 0

Cv/

Nk B

0 .0

0.5

1.0

1.5

2.0

T<Tc

T>Tc

Page 67: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

67 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

the phase  transition of  the  three‐dimensional  Ising model.  In  this  section, and  the next, we briefly discuss how 

these insights help to interpret some experimental data. 

  As  in  the  two‐dimensional  Ising model,  a  three‐dimensional  Ising model  shows  a  phase  transition  at 

temperatures below a critical temperature.  The exact value of the critical temperature is sensitive to the details of 

the model,  including  the  type of  lattice  (e.g.  face‐centered or body‐centered  cubic  lattice). However, near  the 

critical  temperature,  the scaling  laws describing  the structure and  thermodynamic properties of  the  Ising model 

are  independent of  those details.    It has now been well established that, according  to a  three‐dimensional  Ising 

model, the heat capacity near the critical temperature diverges following the power law 

  / | |V CC N T T .  (31) 

In addition, near the critical temperature, the order parameter  s  as defined in Eq.(7) also follows a power law 

  ~ ( )cs T T .  (32) 

From simulations and from experiments the approximate critical exponents are  0.110  and  0.326 .   

  It  is  a  striking  feature of phase  transitions  that  the  critical  exponents    and   depend only on  the 

spatial  dimensionality  of  the  system,  independent  of  model  details.  As  a  result  of  this  striking  feature, 

experimental results for the thermodynamic properties of one system near its critical point can provide results for 

other systems with the same dimensionality.   The commonality of critical exponents  is called universality, which 

holds  for  a  variety  of  different  systems.  Systems with  the  same  spatial  and  order  dimensionalities  are  said  to 

belong to the same universality class.  For example, vapor‐liquid equilibria of fluids and fluid mixtures belong to the 

three‐dimensional  Ising  universality  class  because  in  these  systems,  the  order  parameter  is  scalar  (a  one‐

dimensional  variable),  and  the  spatial  dimensionality  is  three.    Close  to  the  critical  point,  thermodynamic 

properties of all these systems can be described by the same scaling laws27.   

  With a simple change in variables, the Ising model can be applied to describe liquid‐liquid or liquid‐vapor 

phase transitions of monatomic fluids.  To illustrate, consider a lattice model for a binary liquid mixture containing 

27 However, the proportionality constant (not shown in Eqs.(29) and (30)) depends on the particular system of interest. 

Page 68: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

68 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

components  A  and  B 28.    In  this  lattice model, each  lattice  site  is occupied by one and only one molecule of 

species  A  or  B ;  the lattice is completely filled.  To study the liquid‐liquid phase transition of the binary mixture, 

we  consider only nearest‐neighbor  interactions, and  the  interaction energy between  two  identical molecules  is 

arbitrarily set equal  to zero.29    In  this system,  liquid‐liquid phase  transition  is driven by  the number of contacts 

between  different  species  and  by  the  corresponding  energy  parameter  AB .  A  microstate  of  the  system  is 

specified by the arrangements of  A  and  B  molecules on the lattice. The system energy is given by 

  / 2AB ABE N   (33) 

where  ABN   stands  for  the number of nearest‐neighbor A‐B pairs and  the  factor ½ prevents  counting AB pairs 

twice.  

  To  transfer  this  lattice model  for  liquid‐liquid phase  transition  to an equivalent  three‐dimensional  Ising 

model, we designate  0in  when  a  lattice  site  is  taken by  A ,  and  1in  when  it  is  taken by  B .   With  the 

identification  of molecules  represented  by  in   0  and  1,  and  remembering  that  0AA BB ,  the  nearest‐

neighbor interaction energy  ij  between two adjacent sites  i  and  j  can be expressed as  

  ( 2 ) / 2ij i j i j ABn n n n   (34) 

For any microstate, the system energy can be expressed as 

  ( 2 ) / 2i j i j ABij

E n n n n   (35) 

where the summation extends only to nearest‐neighbor pairs.   

  For convenience, we make a variable change; let 

  2 1i is n  and  2 1j js n   (36) 

Substitution of Eq.(36) into Eq.(35) gives 

  i j Tij

E s s N Z   (37) 

28 A similar description can be applied to the vapor‐liquid transition.  In that case, the lattice is either occupied by a molecule or it is empty. 29 The results are not affected by this assumption. 

Page 69: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

69 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

where  / 4AB  ,  Z  is the lattice coordination number (i.e., the number of nearest neighbors), and  TN  is the 

total  number  of  lattice  sizes.  The  last  term  on  the  right  side  of  Eq.(37)  is  a  constant  irrelevant  to  the 

thermodynamic properties of the system.  Except for the irrelevant constant, Eq.(37) is identical to the energy of 

an Ising model (e.g., Eq.13) except here, a “spin up” corresponds to a lattice site that is occupied by a molecule of 

species  B,  and  a  “spin  down”  corresponds  to  an  occupancy  of molecule  A.    As  a  result,  the  thermodynamic 

properties and phase behavior derived from the Ising model are applicable to binary mixtures of liquids. 

 

Figure 28 Coexistence  compositions of a  symmetric binary  liquid mixture A+B  in a  simple  cubic  (SC), a body‐centered‐cubic  (BCC), and a  face‐centered‐cubic  (FCC)  lattice.   The vertical axis gives  the  reduced temperature, and the horizontal axis is the mole fraction of component B.  While the critical mole fraction is always 0.5, the reduced critical temperature depends on lattice geometry. The symbols are from Monte Carlo calculations and the lines are to guide the eye. 

  The phase transition of the  lattice model for a binary  liquid mixture has been  investigated using Monte 

Carlo  calculations30.    Figure  28  shows  the phase  coexistence  curves  for  three  lattices:  simple  cubic  (SC), body‐

centered‐cubic (BCC) and face‐centered cubic (FCC).  The shapes of the curves are similar, characterized by a nearly 

flat section  in the middle.   However, the critical temperature depends on the  lattice geometry.   Near the critical 

temperature, the curvatures of these coexistence lines are alike, indicating the universal scaling law of the three‐

30 Lambert SM, PhD thesis, The University of California at Berkeley, 1995. 

k B

T/

AB

Mole fraction B

1.13

1.61

2.46

Page 70: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

70 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

dimensional Ising universality class. The flatness of the vapor‐liquid coexistence shown in Figure 28 is in agreement 

with experiment. The flat curvature cannot be achieved by classical solution theories or by classical equations of 

state. 

 

Page 71: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

71 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.11Helix‐coiltransitionofpolypeptides

A protein is a polypeptide chain that often adopts a unique, well-defined 3-dimensional conformation

(native structure) essential for its biological functions. For small globular proteins,  it  is often hypothesized31 that 

the  native  structure  is  determined  only  by  the  amino‐acid  sequence  along  the  linear  backbone,  that  is,  by  its 

primary  structure.  Because  virtually  all  biological  activities  of  a  protein  are  determined  by  its  structure, 

understanding the relation between the 3‐dimensional structure of a protein and its amino‐acid sequence plays a 

crucial role in protein engineering.  In this section, we apply a canonical partition function to describe the helix‐coil 

transition of a polypeptide.   Such a description  is useful for understanding the stability of protein structures and 

may provide insight on protein folding. 

 Figure 29 Formation of a peptide bond between two amino‐acid molecules (such as those shown in Table 3) by the release of a water molecule.  R1 and R2 denote amino‐acid residues. 

When unfolded, proteins are linear polymers; more precisely, they are polypeptides of various amino acids linked 

by peptide bonds32. As illustrated in Figure 29, a peptide bond is formed by the condensation of two amino acids, 

that  is,  by  the  reaction  of  an  amino  group  with  a  carboxyl  group,  eliminating  water.  The  functional  groups, 

31 It is known as Anfinsen's dogma or the thermodynamic hypothesis in molecular biology. 32 While the number of possible different amino‐acid groups is very large, only twenty amino groups are observed in natural proteins. 

O

H3+N

H R1

C

C

O

H C C

H

H

H

H

R2

O

O

N

H3+N

H R1

C

C H C

C

H R2

O

O

N

O

H

H2O

Page 72: Lecrure Notes

72 | T h e

represente

Table 3 Str

Aliphatics 

 

Aromatics 

Polar 

Charged 

  

m a t e r i a l

ed by R1 and R

ructure of stan

(

L‐I

L‐(

L‐A(

T

l i s s u b j e

R2, are amino‐

ndard amino ac

Glycine (Gly / G) 

Isoleucine (Ile / I) 

‐Histidine (His / H) 

 Asparagine (Asn / N) 

 L‐Lysine (Lys / K) 

Thermodynam

e c t t o c o

‐acid residues. 

cids, three‐lett

 

L‐Al(Ala

 

L‐Pr(Pro

L‐Pheny(Ph

L‐Glut(Gln

 

L‐Arg(Arg

mics for Molec

p y r i g h t

Table 3 show

er symbols, an

aninea / A) 

 

rolineo / P) 

 

ylalaninee / F) 

taminen / Q) 

 

ginineg / R) 

cular Enginee

ws for the struc

nd one‐letter sy

L‐Valin(Val / V

L‐Cyste(Cys / 

L‐Tyros(Tyr / 

L‐Serin(Ser / 

L‐Aspartic(Asp / 

ering, Wu and

ctures of 20 st

ymbols.   

neV) 

 

ineC) 

 sineY) 

 

neS) 

 

c acidD) 

 

d Prausnitz, 3

andard amino 

L‐Leucine(Leu / L) 

L‐Methionin(Met / M)

L‐Tryptopha(Trp / W)

L‐Threonin(Thr / T) 

L‐Glutamic a(Glu / E) 

/2010

acids. 

ne 

 

an

e

 

cid

 

Page 73: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

73 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

While the peptide bonds are the same for all proteins, the amino‐acid residues vary from one protein to 

another.  In solution, because amino groups and acid groups are connected by peptide bonds, the backbone of a 

polypeptide is not electrically charged (except at the ends), but an amino‐acid residue (i.e., branches or side chains 

from  the backbone) may or may not be  charged, depending on  its  ionization properties  and on  the pH of  the 

solution.   The net charge of a protein  is the algebraic sum of all charges on the protein molecule. The  isoelectric 

point (pI) of a protein is the pH of the solution where the net charge is zero. 

 

Figure 30 Hydrogen bonding between amino acids in an  ‐helix chain.  Because a hydrogen bond spans 

over  four  amino  acid  residues  (shown  by  open  arrows)  along  the  chain,  hydrogen‐bond  donors  and acceptors are not satisfied near the ends (shown in black and gray arrows).  Here i stands for amino‐acid index along the chain, R denotes an amino‐acid residue, and H, C, N and O are chemical elements. Cα  is the carbon in each amino‐acid residue where the amino and carboxylate groups are attached.   

An  ‐helix33 is formed by hydrogen bonds between the carbonyl oxygen of amino‐acid residue i and the 

amide  hydrogen  of  residue  i+3.    Here,  i  and  i+3  refer  to  the  positions  of  amino‐acid  residues  in  the  protein 

sequence.  Figure 30 illustrates the interlacing hydrogen‐bond network in an  ‐helix.  Because a hydrogen bond 

spans over four amino‐acid residues along the chain, the three carbonyl oxygens at the C‐terminus34 and the three 

33  The nomenclatures α‐helix and β‐sheet were introduced by William T.  Astbury, an English physicist and molecular biologist who made pioneering X‐ray diffraction studies of biological molecules. 34 The C‐terminus (or C‐terminal end) is the end of an amino‐acid chain terminated by a carboxyl group (‐COOH).  

H N

Cα N H

O

O

O

H N

O

N H

O

H N

O

N H

O

H N

R

R

R

R

R

R

Unsatisfied hydrogen-bond acceptors at C-terminus

Unsatisfied hydrogen-bond donors at N-terminus

i i+1 i+2 i+3 i+4 i+5

Page 74: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

74 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

amide hydrogen atoms at the N‐terminus35 do not form hydrogen bonds.  In space, the polypeptide is arranged in 

a helical conformation with about 3.6 residues per turn and a translocation of 0.15 nm per residue.   

In an  ‐helix, a hydrogen bond goes from the  thi  to the  ( 3)thi  residue; formation of the first hydrogen 

bond requires ordering of three intervening residues.  Such ordering leads to a large entropic cost36 to initiate the 

formation of an  ‐helix.  However, after the first hydrogen bond is formed, formation of an additional hydrogen 

bond at the end of a pre‐existing helix requires only one additional residue to be fixed in the correct orientation.  

Consequently,  for  the  formation  of  a  second,  third,  etc.  hydrogen  bond,  the  entropic  cost  is  much  smaller 

compared with  that  for  formation of  the  first hydrogen bond. Because  all of  the hydrogen bonds  and peptide 

groups point in the same direction, the dipoles of the hydrogen‐bonding groups are in near‐perfect alignment. The 

side chains of residues project outward from the ‐helix, minimizing steric interference.   

  The ‐helix/coil  transition of a polypeptide refers  to  the equilibrium of  the polymer chain between  the 

two coexisting states: in spring‐like helical structure or in a random‐coil structure.  To construct a model for the ‐

helix/coil transition, we assume that each amino‐acid residue exists in one of two possible states: helix (h) or coil 

(c).    In  a  polypeptide  of m  residues, we  have  a maximum  of  2m   residues  that  can  adopt  the  helical  state 

(because the two end residues are unconstrained), and a maximum of  4m  hydrogen bonds that can be formed 

along  the backbone. To  find  the distribution of  the  residues between  the  two states, we use  the coil state as a 

reference and assume that its Helmholtz energy is zero. Because of hydrogen bonding, the Helmholtz energy of a 

residue in the helix state depends on the status of its neighboring residues. It is denoted as  su  if it is the leading 

residue in an ‐helix, or as  au  if it follows a pre‐existing  ‐helix (i.e., the preceding residue is also in the helical 

state).    The  Helmholtz  energy  difference  between  a  coil  state  and  a  helical  state  can  be  understood  as  the 

difference  in Helmholtz  energy when  the  two  states  of  a  residue  are  at  equilibrium. Near  the  transition,  this 

Helmholtz energy is on the order of  Bk T . 

35 The N‐terminus (or N‐terminal end) refers to the end of a protein or polypeptide chain terminated by an amino group (‐NH2).  36 In general, nature wants to increase entropy.  Therefore, if a process is accompanied by a decrease in entropy, that decrease is considered a “cost”.  Sometimes “penalty” is used instead of “cost”.   

Page 75: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

75 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

   A microstate  relevant  to  the ‐helix/coil  transition  is  specified when  each  amino‐acid  residue  of  the 

polypeptide chain is given helical or coil status.  The problem of our interest is to determine how many residues in 

a polypeptide chain are in helical structures at a fixed solution condition. To solve this problem, we consider a long 

polypeptide where the end effects can be neglected.  The canonical partition function of an m‐residue polypeptide 

is given by 

 1 2 3 1

... expm

m

ir r r r i

Q u

,  (1) 

where  ir  represents the conformation of residue  i   ( ir h or    c , where  h  stands for helical and    c  stands for 

coil), and  iu  stands for the change of the Helmholtz energy of residue  i  from a coil state to a helix state;  iu   is 

zero for a coil. For a helix,  iu  is  su  or  au , depending on the conformation of the preceding residue.   

Eq.(1) resembles the partition function of an Ising chain. With some algebra (see Box 4), this partition

function can be evaluated in the limit of large m.

Q m 1 , (2)

where

21 (1 ) (1 ) 4 / 2a a su u ue e e

. (3)

The average number of residues that are in a helical structure hn can be divided into the number of

“adding” helical residues an and the number of “starting” helical residues sn . From the partition function in

Eq.(2), an and sn can be calculated by differentiating lnQ with respect to au and su , respectively

2

1, ,

ln ( 1)

2 2 (1 ) 4

a a a

a s

a

u u u

a u ua T m u

Q m e e en

u e e

, (4)

2

1, ,

ln

(1 ) 4

s

a s

a

u

s u us T m u

Q m en

u e e

. (5)

The total number of residues in the helical structure is

Page 76: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

76 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

sa

aasa

uu

uuuu

sahee

eemennn

4)1(

121

2 2

)(

1. (6)

The property of greatest interest in helix-coil transition is the average fraction of residues in the helical

state, or the helix fraction, denoted by . From Eq.(6), we have

ss

ss

m

nh

4)1(

121

2 21. (7)

where s e ua and e u us a( ) . Because the energy difference between a helical state and a coil state is au ,

parameter s is the Boltzmann factor for the distribution of a single residue between the coil and helical states.

Parameter reflects additional energy in initiating a helical residue. Eq.(7) indicates that for a long polypeptide, the

fraction of residues that are in a helical state is completely determined by two parameters, s and , both depending

on temperature.

 

Figure 31 Theoretical and experimental results of the helical fraction  as a function of  mT T for poly‐‐benzyl‐L‐glutamate chains of three different  lengths, denoted by m. The points represent experimental 

data; lines are calculated from the theory (Eq.7).  mT =285K is the midpoint temperature of the transition 

curve for m=1500 (Reproduced from Zimm B. H., Doty P. and Iso K., Proc. Natl. Acad. Sci., 45:1601‐1606, 1959). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

‐15 ‐5 5 15 25 35

T‐Tm, K

m=1500

m=46

m=26

Page 77: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

77 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  The  analysis  of  helix‐coil  transition  has  been  tested  using  experimental  data.  Figure  31  compares 

theoretical and experimental helical fractions for poly‐ ‐benzyl‐L‐glutamate chains with average length 1500, 46 

or 26 residues. The solvent is 70:30 (by weight) dichloroacetic acid and ethylene dichloride.  The long‐chain model 

is used for the polypeptide with 1500 residues; the others are calculated using the short‐chain model (see Problem 

17).    In  correlation  of  the  experimental  results,  we  assume  that  42 10   independent  of  temperature. 

Parameter  s   is expressed  through energy parameter  ae , which  is  related  to  ua through the Gibbs-Helmholtz

relation  

    ( / )a au e , (8) 

Let Tm be the temperature where ua 0 . Integration of Eq.(8) gives

ln( ) (1/ 1/ ) /a m a Bs u T T e k . (9)

Using  890 /ae cal mole  obtained by best fitting, we see that agreement between calculated and experimental 

data is reasonable, suggesting that the simple theory captures the essential physics of the helix/coil transition.  

Page 78: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

78 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Box4Partitionfunctionforhelix/coiltransition

It is convenient to use the transfer-matrix method to evaluate the partition function for the -helix/coil

transition. Let Qmc represent the partition function of an m -residue polypeptide whose final residue is in a coil state,

and let Qmh represent the partition function when the final residue is in a helical state. In general, the partition

function of an m -residue polypeptide is given by

Q Q Qmc

mh .

This equation can be expressed as the inner product of two vectors,

1

1),(

1

0),(

0

1),( h

mcm

hm

cm

hm

cm QQQQQQQ .

The two unit vectors in the above equation can be understood as the coil and helical states of residues. When the

final residue is in a helical state, Qmh can be related to the partition functions of an ( )m1 -residue polypeptide

1 1s au uh c h

m m mQ Q e Q e

Similarly, cmQ can be written as

Q Q Qmc

mc

mh 1 1 .

Thus, the vector ( , )Q Qmc

mh can be calculated from a recursive matrix

( , ) ( , )~

Q Q Q Q Mmc

mh

mc

mh 1 1 ,

where

~

1

1

s

a

u

u

eM

e

is called the transfer matrix.

Because the first residue can only be  in a coil state or  in a starting helical state, the partition function of one residue is given by 

1 1

1( , ) (1, 0)

1

s

a

uc h

u

eQ Q

e

Using this equation, and the recursive relation, we have the desired expression for the partition function of an m -residue polypeptide,

1 1

(1, 0)1 1

s

a

mu

u

eQ

e

.

Page 79: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

79 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

   

Box4Partitionfunctionofhelix/coiltransition(continued)

The mth-power matrix in the above equation can be evaluated by diagonalization of M

~ using a similarity

transformation

2

11

~~

1

~

0

0

TMT ,

where T~

is the transformation matrix, T~

1 is the matrix inverse of T~

and 1 2, are the eigenvalues of the matrix ,

given by

21,2 (1 ) (1 ) 4 / 2a a su u ue e e

.

The transformation matrix T~

is

2 1

~

1 1

1 1T

and its inverse is

2

1

21

1

~ 1

1

1

11

T .

Diagonalization of M~

yields an analytical expression of the partition function

11

~ ~2

1 1 212 1

2 2 1 2

1 11 2 2 1 1 2

0 1(1, 0)

10

0 /( )(1 ,1 )

/( )0

(1 ) (1 ) /( )

m

m

m

m

m m

Q T T

(*)

Since 1 2 , and for a long polypeptide m 1, the partition function in Eq.(*) can be approximated by

Q m 1 .

The error of this approximation becomes vanishingly small for 1m .

Page 80: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

80 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.12Grandcanonicalensemble

   The  previous  sections  are  concerned with  closed  systems where  the  number  of  particles  is  fixed  but 

where energy can fluctuate around its mean value.  Many thermodynamic systems of practical concern, however, 

are  in  contact with  an  external  environment  that  allows both mass  and  energy  exchanges. Common  examples 

include molecules  near  a  substrate  as  in heterogeneous  separation  and  reaction processes  in  engineering  and 

biological systems. The most convenient way to define an open system is by temperature (T ), volume (V ), and 

chemical potential  i  for every component i of interest.  In thermodynamics, a chemical potential is an intensive 

property  that specifies  the  reversible work  required  to  transfer molecules  to  the system  from a  reference state 

(e.g., an ideal gas). In an open system, the chemical potential of each species is everywhere uniform.  

  A grand canonical ensemble refers to all accessible microstates of an open system at equilibrium.  To find 

the distribution of microstates and corresponding thermodynamic properties at equilibrium, we consider an  m ‐

component open system at given T and V. To help define the chemical potential of individual species, we assume 

that  the  system  coexists with  an  “imaginary”  bulk  system,  as  shown  schematically  in  Figure  32.  The  chemical 

potential of each species in the bulk can be uniquely defined by its temperature, pressure and composition.  

2

3

2

3

m

m

……

1

1

 

Figure  32  A  schematic  representation  of  an  m ‐component  open  system  in  equilibrium  with  its environment.    The  vertical  dashed  line  indicates  that  particles  are  allowed  to  transfer  through  this boundary. 

  Following  a  procedure  similar  to  that  for  a  closed  system,  the  distribution  of microstates  in  an  open 

system can be determined  from  the second  law of  thermodynamics. As  in a canonical ensemble,  the entropy  is 

uniquely defined by the distribution of microstates 

Page 81: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

81 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  lnB v vv

S k p p .  (1) 

For an open system at equilibrium, the entropy attains a maximum subject to the constraints of constant average 

total  energy,  constant  average  total  number  of  particles,  and  the  normalization  condition  for  the  probability 

distribution 

  v vv

U p E   (2) 

  ,i v i vv

N p N   

1, 2, ,i m    (3) 

  1vv

p   (4) 

where U stands for the internal energy, i.e., average total energy of the system, and  vp  is the probability that the 

system is at microstate v.   

  As discussed before for isolated and closed systems, the conditional maximum can be found by using the

Lagrange-multiplier method. Differentiation of the entropy with respect to the microstate probability yields

,(ln 1) 0v v i i vi

p E N (5)

where , , and i are Lagrange multipliers arising, respectively, from the normalization condition (Eq.4), and

constraints for the internal energy (Eq.2) and average number of molecules (Eq.3). Rearrangement of Eq.(5) gives

,exp[ 1 ]v v i i vi

p E N (6)

Substitution of Eq.(6) into (1) yields

/ ln 1B v v i iv i

S k p p E N (7)

From the thermodynamic relations,

,1/ ( / )iV NT S U (8)

, ,( / )j ii i U V NT S N (9)

we find the Lagrange multipliers:

1/ Bk T (10)

Page 82: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

82 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

i i (11)

Finally, the multiplier is determined from the normalization condition (Eq.4),

ln 1 (12)

where

exp[ ( )],

E Ni ii

(13)

is the grand partition function, and 1/ ( )k TB .

The final expression for the probability distribution is obtained by substitution of Eqs.(10)-(12) into Eq.(6)

,

1exp[ ( )]v v i i v

i

p E N (14)

and the entropy of an open system is obtained from Eq.(7) 

  / / /i ii

S U T N T T   (15) 

where 

  lnBk T .  (16) 

  The quantity defined in Eq.(16) is called the grand potential, a free‐energy that is equivalent to Helmholtz 

energy for closed systems.  As the Helmholtz energy is introduced in a canonical ensemble for the convenience of 

applications,  the  grand  potential  is  an  extensive  thermodynamic  function  that  is  convenient  to  use  for  open 

systems.  For example, we can readily express the internal energy and the average number of particles i in terms of 

the grand potential: 

 1, 1,, ,( ln / ) ( / )

i m i mv v V Vv

U E p

  (17) 

  , , ,( ln / ) ( / )i i v v i V i Vv

N N p    (18) 

Eq.(17)  is equivalent  to  the  familiar Gibbs‐Helmholtz equation  in  classical  thermodynamics. The grand partition 

function also gives the mean‐square deviation for the number of particles i and the mean square‐deviation for the 

total energy  

  22 2

, ,/

j ii i i i i V

N N N N

  (19) 

Page 83: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

83 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  1,

22 2

,/

i mVE E E U

.  (20) 

Because   is an intensive variable, Eq.(19) suggests that in an open system, the relative deviation of the number 

of particles  i, 2 /i iN N ,  scales  as  1/ iN .    For  a  typical macroscopic  system,  the  average number of 

particles of  species  i  is on  the order of  23~ 10iN . As  a  result,  the  fluctuation of  the number of particles  is 

extremely  small  (except at  the critical point).   Similarly, Eq.(18)  suggests  that  the  relative deviation of  the  total 

energy is extremely small for a typical macroscopic system.  

  In  summary,  this  section  introduces  the  grand partition  function  (Eq.13)  for describing  the probability 

distribution  of  microstates  in  an  open  system  (Eq.14).  In  addition,  we  introduce  grand  potential  as  a 

thermodynamic free energy convenient for applications of statistical mechanics to open systems.   Because  in an 

open system, the temperature, chemical potential, internal energy and average number of particles i are fixed, it 

follows  from Eq.(16)  that  the grand potential  is a minimum  for an open  system at equilibrium. This  is another 

equivalent statement of the second law of thermodynamics.  

Page 84: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

84 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.13Gasadsorption

  Gas‐solid physical adsorption equilibria are required for designing separation and purification processes. 

The equilibrium between  the adsorbate  (adsorbing phase) and  the adsorbent  (the  solid  surface, also  called  the 

substrate)  is  expressed  by  an  adsorption  isotherm  that  describes  the  amount  of  adsorption  per  unit  area  of 

adsorbent  as  a  function  of  pressure37  at  constant  temperature.    In  this  section, we  illustrate  how  the  grand 

partition function can be used to establish a few useful gas‐adsorption isotherms.   

Langmuiradsorptionisotherm

 

Figure 33 Schematical  representation of  the Langmuir adsorption model.   Each  surface  site can adsorb one and only one gas molecule. In simple Langmuir adsorption, the solid surface is homogenous: all sites are equivalent,  i.e., the  interaction energy between a surface site and a gas molecule is the same for all sites. There is no interaction between adsorbed gas molecules. 

  Consider the adsorption  isotherm of a pure gas  in equilibrium with a homogeneous solid surface at  low 

pressures.  Figure 33 gives a representation of gas adsorption on a flat surface.  We assume that the solid surface 

(substrate) can be represented by a two‐dimensional lattice that contains distinguishable but identical interaction 

sites.  There is only one layer of adsorbed molecules (monolayer adsorption). Each interaction site can adsorb only 

one gas molecule.  For simplicity, we assume that the surface sites are independent, i.e., the occupation status of 

one site is independent from that of another site, and that the gas molecules on the surface do not interact with 

each  other.    Because  the  gas molecules  on  the  solid  surface  represent  a  non‐interacting  open  system,  it  is 

appropriate to describe the system with a grand canonical ensemble.    In this case, a microstate of the system  is 

specified by occupation states of the lattice sites, that is, by how many of the surface sites are occupied.  The grand 

partition function is given by 

37 When the adsorbing component is in a gaseous mixture, we use the component’s partial pressure or more precisely, its fugacity. 

. . . . . .

gas molecule surface site

Page 85: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

85 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 0,1

( )

1

(1 )s

i i s

i

Nn n Nin in

ni

q e q e

  (1) 

where  sN  is the total number of surface sites,  0,1in  denotes the occupancy status of site  i  (If  0in , the site 

is empty. If  1in , the site is occupied.) The interaction energy between a gas molecule and a surface site is given 

by  ;   is the chemical potential of the gas, and  inq  denotes contributions from the internal degrees of freedom 

of  a  gas molecule  on  the  surface38.    For  a  pure  gas,  chemical  potential    depends  on  the  temperature  and 

pressure  of  the  bulk  gas  phase  in  equilibrium with  the  surface.    The  exponent  sN   in  Eq.(1)  results  from  the 

assumption that all adsorption sites are  independent.   From the grand partition function, we obtain the average 

number of gas molecules adsorbed on the solid surface  

 ln

1in

sin

q eN N

q e

  (2) 

At low pressure, the chemical potential of a pure gas can be approximated by that of an ideal gas 

  0 ln P   (3) 

where  0  is the chemical potential of an ideal gas at system temperature and unit pressure.  Substitution of Eq.(3) 

into Eq.(2) yields the fraction of surface sites occupied by gas molecules 

 1s

N bP

N bP

  (4) 

where  0exp( )inb q   is  a  parameter  that  depends  only  on  temperature.    Eq.(4)  is  the  Langmuir 

adsorption isotherm.  

  Using much simpler arguments than those used here, Langmuir derived Eq.(4) to describe the adsorption 

of gases on metal surfaces. Although the Langmuir adsorption isotherm can be derived from a variety of ways, the 

statistical thermodynamic derivation clarifies the underlying physics and the necessary molecular details required 

38  Internal degrees of  freedom  refer  to  rotation and vibration of atoms within each gas molecule and  to quantum  states of electrons.  For simple gas molecules, to a good approximation, an internal degree of freedom is not affected by the proximity of 

other molecules. In deriving the Langmuir adsorption isotherm we assume that  inq  for adsorbed molecules is equal to that for 

gas‐phase molecules.     

Page 86: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

86 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

to  calculate  parameter  b .  More  important,  the  statistical  thermodynamic  derivation  provides  a  basis  for 

systematically improving the Langmuir isotherm by relaxing some of its severe simplifying assumptions, as shown 

later.   

 

Figure  34  Langmuir  isotherms  for  adsorption  of  nitrogen,  ethylene,  and  nitrous  oxide  on  a  steamed‐

charcoal surface at 20 oC.  Here,  P  is gas pressure and   is the fraction of adsorption sites occupied by 

an adsorbed gas molecule. Parameters b  for the three gases are, respectively, 0.2, 0.8, 1.8 atm‐1.   

   

At low pressure, a variety of experimental data (e.g., adsorption of ethyl chloride on charcoal, nitrogen on 

TiO2, and O2 or CO on silica) are well represented by the Langmuir adsorption  isotherm.   To  illustrate, Figure 34 

shows  that  the  Langmuir  adsorption  isotherm  represents well  the  experimental  results  for  the  adsorption  of 

nitrogen, ethylene, and nitrous oxide on a steamed‐charcoal surface at 20oC.  When parameter  b  is obtained by 

careful measurements of  the amount of adsorption,  it  is  then possible  to estimate  the  total surface area of  the 

adsorbent, provided that we have a reasonable estimate of the projected area of each gas molecule sitting on an 

adsorption  site.   This method  can be applied  to  characterize porous media  (e.g.,  catalyst or  catalyst  supports).  

However,  because  of  its  severe  simplifying  assumptions,  the  Langmuir  isotherm  provides  little more  than  an 

empirical tool for representing adsorption data. For physical (as opposed to chemical) adsorption, a much better 

0

20

40

60

0 20 40 60 80

P, atm

P, atm

Nitrogen

Ethylene

Nitrous oxide

Page 87: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

87 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

adsorption isotherm is provided by allowing adsorbing molecules to form more than one adsorbed layer leading to 

the BET isotherm. 

Brunauer‐Emmett‐Teller(BET)adsorptionisotherm

 

Figure  35  Schematic  view  of multilayer  adsorption  illustrating  surface  coverage  by  several  adsorbed layers.  Each square stands for a lattice site that can accommodate a single gas molecule.  

In deriving  the  Langmuir  isotherm, we  assume  that  the  gas molecules  form  a monolayer on  the  solid 

surface.  This monolayer assumption can be relaxed to allow multilayer adsorption.  In the multilayer model (Figure 

35), a surface site may adsorb a vertical column of gas molecules: the gas molecule closest to the surface has an 

adsorption energy  0 , determined by the interaction between the gas molecule and the surface; all successive gas 

molecules in the vertical column have an adsorption energy  1 , determined primarily by the interactions between 

two  vertical  gas  molecules.    As  in  the  Langmuir  model,  we  assume  that  all  surface  sites  are  identical  and 

independent and  that gas molecules within  the same  layer do not  interact with each other.  In other words, we 

consider  vertical  adsorbed  gas‐adsorbed  gas  interactions but we neglect horizontal  adsorbed  gas‐adsorbed  gas 

interactions.  

  The microstate in this model is specified by the gas occupation numbers for each surface site.  In this case, 

the grand partition function is 

  0 0 1 0 1( ) 2 2 32 3

1 0

(1 )S

i i s

i

Nn n Nin in in in

i n

q e q e q e q e

  (5) 

2nd layer

Lattice site Gas molecule

Surface

3rd layer

1st layer . . .

. . .

. . .

Page 88: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

88 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

where  1( 1)i o in n  for  1in  and 0 for  0in .  As in Eq.(1),  inq  is the internal partition function of the 

molecule.   For convenience, we define 0e Pe 39,  00 inq q e  and 

11 inq q e .   The average number 

of gas molecules adsorbed on the solid surface can be obtained from the grand partition function: 

 2

01 10 2

0 1 1 1 0 1

1 2 3( )ln

1 [1 ( ) ] (1 )(1 )s S

qq qN N q N

q q q q q q

  (6) 

Thus, the average number of adsorbed molecules per surface site is given by 

  0 0

1 0 1 1 0 1(1 )(1 ) (1 )(1 )S

N q k P

N q q q k P k P k P

  (7) 

where 

  0o

ok q e   (8) 

  1 1ok q e   (9) 

Eq.(7) is the Brunauer‐Emmett‐Teller (BET) adsorption isotherm; at a fixed temperature, it contains two adjustable 

parameters,  0k and  1k .   At temperatures near or below the gas critical temperature and at advanced pressures, 

adsorption  on  a  solid  surface  is more  likely  to  follow  the  BET  isotherm  than  the  Langmuir  isotherm.   When 

1 1k P  (low pressure), and  0 1 (adsorption in the first layer is strongly favored relative to adsorption of 

higher layers), the BET equation reduces to the Langmuir form (Eq.4), because in that event,  0 0/(1 )k P k P .  

39 See Eq.(3). 

Page 89: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

89 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 Figure 36 Nitrogen adsorption on nonporous silica at 77 K as given by  the  linearized  form     of  the BET isotherm. Experimental data are from D. H. Everett et al.(1974). Here    is the fraction of surface sites 

covered by nitrogen molecules,  P  is pressure and  Ps  is the vapor pressure of nitrogen. 

  To  fit  experimental  data,  the  BET  equation  has  one  parameter  more  than  the  Langmuir  equation.  

However, parameter  1k  in the BET equation can be identified as the reciprocal of the saturation vapor pressure of 

the gas because as pressure approaches saturation, the bulk  liquid begins to condense on the adsorbing surface, 

leading to  .  In other words, as    we must have 1 1sk P  where sP  is the saturation pressure.  As a 

result, the BET isotherm (Eq.7) can be rewritten as 

  0

0

/

(1 / / )(1 / )S

S S S

k P P

P P k P P P P

  (10) 

Rearrangement of Eq.(10) gives 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 0.1 0.2 0.3 0.4

SP

P

)( PP

P

S

Page 90: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

90 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  0 01/ (1 1/ ) /( ) S

S

Pk k P P

P P

  (11) 

The  linear  equation  (Eq.11)  provides  a  convenient  justification  of  whether  experimental  data  follow  the  BET 

adsorption  isotherm.   Figure 36 shows a successful application of the BET equation to adsorption of nitrogen on 

nonporous silica at 77K. Here nitrogen is well below its critical temperature (126.2 K).  

In deriving  the BET  adsorption  isotherm, we  assume  a uniform  surface  and no horizontal  interactions 

between adsorbed molecules.   These assumptions are not valid for typical gas‐adsorption systems. Nevertheless, 

compared with experimental results, the BET equation gives good representation of experimental data provided 

that, empirically, the range of reduced pressure is restricted to 0.05 / 0.35sP P .  At reduced pressures below 

0.05,  the  BET  equation  underestimates  adsorption  because  of  surface  heterogeneity;  gas  molecules  have  a 

relatively strong affinity for the few high‐energy surface sites during the  initial stages of adsorption.   At reduced 

pressures above 0.35, the equation overestimates adsorption because the adsorption energy falls as the number 

of adsorption layers further increases.   

Gasadsorptioninporousmaterials

The grand partition function can also be used to develop useful adsorption isotherms for gas adsorption in

porous materials (e.g., zeolites). To illustrate, consider a low-pressure gas in equilibrium with a porous medium

that contains Nc pores or cages where each cage can contain up to m molecules. Figure 37 presents a schematic

picture of cages and resident molecules. We assume that all cages are independent, i.e., interactions between

molecules in neighboring cages can be neglected. The grand partition function of gas molecules in Nc independent

cages is

Nc (12)

where stands for the grand partition function for each cage.

Page 91: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

91 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Figure 37 Schematic diagram  for gas adsorpton  in a porous medium.    In  this picture,  the solid contains four cages (pores).  Spheres represents gas molecules in the gas. 

To find , we assume that there is an “average” interaction energy between a gas molecule and the cage,

represented by . Suppose that a cage of volume v may contain a maximum of m molecules. The grand partition

function for the gas molecules in the cage is

sm

ss

sssinin vsv

s

eqv

eq])1([

!1 0

233

, (13)

where h Mk TB/ 2 represents the thermal wave length40, M is the mass of a gas molecule, qin stands for the

contributions to the partition function from the internal degrees of freedom of a gas molecule inside the cage, and ov

is the volume of a gas molecule. Approximately, 0)1( vsv stands for the volume accessible to the ths molecule

in a cage that is already occupied by 1s molecules. The maximum number of molecules in the cage, m , is

determined by the largest integer less than 0/ vv . The first term on the right side of Eq.(13) corresponds to the

empty cage; the second term corresponds to a single molecule in the cage, and the summation corresponds to

contributions due to multi-occupied cages.

40  In Eq.(13), the quantity  v / 3 can be understood  intuitively as the number of microstates of a gas molecule  in a space of 

volume  v .  Imagine that the microstate of a gas molecule is fixed by a small volume of  3.  The total number of microstates 

for a single gas molecule in a cubic cage of volume  v  is given by  v / 3. When there are two gas molecules in the cage, the 

total  volume  accessible  to  each molecule  is  v v 0 .  In  that  event,  the  number  of microstates  for  each  gas molecule  is 

( ) /v v 03 .  A factorial (2!) accounts for the fact that two gas molecules are indistinguishable.  Similar analysis applies to a 

cage containing  s  gas molecules where  ms 1 .   

Page 92: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

92 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

The average number of gas molecules adsorbed in the porous medium can be derived from the grand

partition function. For convenience, we define a temperature-dependent constant

K q vein 0 3/ (14)

At low pressure, the chemical potential of a gas can be approximated by 0 ln P [Eq.(3)]. The number of

gas molecules per cage is then given by

N

N N

KP KP s v v s

KP KP s v v sc c

s

s

m

s

s

m

11 1 1

1 1 1

02

02

ln{ [ ( ) / ]} / ( )!

{ [ ( ) / ]} / !

(15)

Two model parameters appear in Eq.(15): a temperature-dependent parameter K and a characteristic

molecular volume of the cage v0 . These parameters are normally treated as adjustable parameters by fitting to

experimental results. Figure 38 shows an application of Eq.(15) to describing single-gas adsorption (O2, N2 , CO) in

zeolites over a wide range of temperature and low pressure. Table 4 presents pertinent parameters. While 0v is

independent of temperature, K is a function of temperature (Eq.14). Figure 38 shows that the simple statistical-

mechanical model provides an excellent correlation for the gas adsorption data. The model has been successfully

extended to predict equilibrium sorption of binary gas mixtures41.

41 Principles of adsorption and adsorption processes. Ruthven D.M., New York: Wiley, 1984. 

Page 93: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

93 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Figure 38 Equilibrium isotherms for adsorption of O2, CO and CH4 in 5A zeolite.  Curves are from  Eq.(15) with parameters in Table 4 (from Ruthven 1984).  

Table 4 Molecular parameters in Eq.(15) for correlating single-gas adsorption data on a 5A Zeolite (after Ruthven, 1984).

Gas KT , K (Torr) 0v (Å3)

O2 145 0.31 46 201 0.007 46 CO 145 50 59 CH4 195 - 64.5 212 0.083 64.5 230 0.033 64.5 253 0.011 64.5

1 10 100 1000 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

CO - 145 K

O2 - 145 K

CH4 - 195 K

CH4 - 212 K

CH4 - 230 K

CH4 - 253 K

O2 - 201 K

cNN /

torr,P

Page 94: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

94 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.14Isobaric‐isothermalsystems

  Most isothermal chemical and physical phenomena occur at constant pressure, not constant volume.  It is 

therefore useful to construct an ensemble for an isobaric‐isothermal system where the total number of particles is 

fixed  but  where  both  the  total  energy  and  volume  fluctuate  around  their mean  values  at  equilibrium.    The 

assembly  of  all  accessible microstates  of  a  closed  system  at  constant  temperature  and  pressure  is  called  an 

isobaric‐isothermal  ensemble.  In  this  ensemble,  pressure,  temperature  and  number  of  particles  are  the 

independent fixed variables. 

 

Figure 39 A system containing m different species at constant temperature and pressure. 

To  derive  the  distribution  of  microstates  in  an  isobaric‐isothermal  ensemble,  we  consider  an  m‐

component system at equilibrium, as illustrated in Figure 39.  We follow a procedure similar to that used for other 

ensembles.  The  second  law  of  thermodynamics  requires  that,  at  equilibrium,  the  system  entropy  attains  a 

maximum, subject to three constraints: constant average total energy, constant average volume and normalization 

of microstate probability42. These constrains are described by  

42 At equilibrium, there is no transfer of net energy between the system and its surroundings.  As a result, at constant pressure, 

0pdV .  The constraint of constant pressure in an isobaric‐isothermal ensemble is therefore equivalent to that of an 

equilibrium system at constant average volume.   

T, P, N1, N2, …, Nm

Page 95: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

95 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 i

E p E   (1) 

  v vi

V p V   (2) 

  1vv

p   (3) 

where, as before,  P  is the probability that the system is in microstate  ;  E  is the total energy of the system at 

this microstate, and V  is the total volume.   

  Application of the Lagrange‐multiplier method to find the constrained maximum of entropy yields 

  1 2 3(ln 1) 0Bk p E V   (4) 

where  1 2 3, ,   are  Lagrange‐multiplier  constants  that  can  be  determined  from  classical‐thermodynamic 

identities: 1 ( / )VT S E  and  / ( / ) EP T S V .  

  Following  some  rearrangements, we  find  that  the  probability  that  an  isobaric‐isothermal  system  is  in 

microstate   with energy  E  and volume V  is given by 

  exp( ) /p E PV Y   (5) 

where  

  exp( )Y E PV

.  (6) 

Y  is the isobaric‐isothermal partition function.  

  From the probability distribution of microstates (Eq.4), we can write the entropy of an isobaric‐isothermal 

system:  

  ln / / lnB BS k p p E T P V T k Y

.  (7) 

The classical thermodynamic Gibbs energy is defined by G U TS PV . From this definition,  

  / / /S E T P V T G T .  (8) 

A comparison of Eqs.(7) and (8) gives 

  lnBG k T Y   (9) 

Page 96: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

96 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Similar to Helmholtz energy and grand potential, the Gibbs energy is a free energy convenient for closed systems 

at constant temperature and pressure.   

  The average energy and average volume of an isobaric‐isothermal ensemble can be determined from the 

probability  distribution  [Eq.(5)]  and  Eqs.(1)  and  (2).    Following  some  algebraic  rearrangement,  these  average 

quantities are related to the Gibbs energy by 

 1, 1,, ,( ln / ) ( / )

i m i mN P N PE Y G

  (10) 

 1, 1,, ,( ln / ( )) ( / )

i m i mN NV Y P G P

  (11) 

Because the partial derivative on the right side of Eq.(10) is equivalent to 

  1 1 1, , , , , ,

/ / /i i iN m P N m P N m

G G P G P

,  (12) 

the enthalpy of the system  H  is  given by 

 1, ,( / )

i mN PH E P V G

  (13) 

Eq.(13) is the familiar Gibbs‐Helmholtz equation in classical thermodynamics.  

  We now consider an application of the isothermal‐isobaric ensemble for practical systems. Point defects 

in solids  refer  to  localized anomalies of atomic dimensions  that occur  in an otherwise perfect crystalline  lattice.  

These anomalies include vacancies, misplaced atoms or impurity atoms that are deliberately introduced (dopants) 

to  control  the  electronic properties of  a  semiconductor, or  that  are  inadvertently  incorporated  (contaminants) 

during material growth or processing.   

Figure 40 shows some common point defects of a solid crystal.  Because point defects can have a strong 

influence on the electronic properties of a crystal, they are of much interest in the electronics industry.   

Page 97: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

97 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Figure 40 Various point defects  in a crystal.   As shown by the particle at the bottom, a Schottky defect (vacancy) is created when a bulk atom is removed to the surface due to thermal fluctuations.   

We  apply  the  isobaric‐isothermal  ensemble  to  a particular  kind of defect  that  arises when  an  atom  is 

removed  from a bulk  lattice  site  to  the  surface of  the crystal as a  result of  thermal  fluctuations.   The  resulting 

vacancy is known as a Schottky defect, or vacancy, that is common in crystals of alkali halides.  We want to find the 

equilibrium vacancy concentration of a crystal at a given temperature and pressure. 

  Consider a crystal lattice containing  N  atoms.  Let  v  be the volume of each unit cell and let  0  be the 

energy  related  to  the  formation of a Schottky vacancy,  i.e.,  the energy  required  to move an atom  from  its bulk 

lattice site to a site on the crystal surface.  We assume that the Schottky vacancies do not interact with each other, 

i.e., formation of vacancy sites are independent.  In this case, a microstate of the system is specified by the number 

and arrangements of vacancies in the lattice and by their arrangement in the system.  At a given temperature and 

pressure, the distribution of microstates is determined by the isobaric‐isothermal partition function  

0,

0,0, 0 0,

0 0,

( )!exp( ) exp ( )

! !n

N nY E PV n Pv N n

N n

.  (14) 

vacancy

interstitial

misplaced

dopant impurity

Schottky

Page 98: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

98 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

In Eq.(14),  0,n  denotes the number of Schottky vacancies in a microstate  . The proportionality factor preceding 

the exponential takes  into account the number of ways (degeneracy) we can arrange  0,n  vacancies at  0,N n  

lattice sites.   

  Using the mathematical identity 

 1

0

( )! 1,

! ! (1 )k

Nk

N kx

N k x

   (15) 

where  0exp( )x Pv , we now evaluate the partition function 

 1

exp( )

[1 exp( )]No

NPvY

Pv

  (16) 

and the average number of vacancies in the crystal 

 0

20

, ,

ln ( 1)exp( )

[1 exp( )]o o N

N P

N Pvn P n

Pv

  (17) 

  A silicon crystal has a zincblend structure whose lattice constant is 0.543 nm at room temperature.  The 

volume of each vacancy  v = 0.01 nm3.  For this crystal, the energy of formation of a Schottky defect  0 = 2.6 eV.  At 

atmospheric  pressure,  the  Pv term  is much  smaller  than  0 .  Because  1N ,  the  denominator  in  Eq.(17)  is 

essentially unity. It follows that at low or moderate pressure, the fraction of Schottky vacancies in a silicon crystal 

can be approximated by 

  0 0/ exp( )n N   (18) 

  At  room  temperature,  1 40 BeV k T .  Eq.(18)  indicates  that  the  fraction of  Schottky  vacancies  in  the 

crystal  lattice  is  on  the  order  of  10‐44,  a  very  small  number.   However,  high  temperature  (e.g.,  at  1000K),  the 

fraction  of  Schottky  vacancies  is  about  10‐13  for  the  same  0 .    At  high‐pressure  conditions,  it  is  necessary  to 

consider the effect of  Pv  in Eq.(17) because this term may become comparable to vacancy formation energy  0 .  

For example, at 1000K and 1000 bar, the fraction of Schottky vacancies  in silicon crystal  is 10‐5, which may have 

significant effect on the properties of the crystal.    

Page 99: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

99 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  The result predicted from Eq.(18) is somewhat expected.  Why, then, do we need a statistical‐mechanical 

derivation for such a simple equation?   We need  it, first, to provide theoretical support for what we might have 

intuitively assumed and second, to tell us how the fraction of Schottky effects  is  influenced by temperature and 

pressure.   

 

Page 100: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

100 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.15Gashydrates

A gas hydrate  is a crystalline solid where a “guest” molecule (e.g., methane)  is surrounded by a cage of 

“host” water molecules.  Large deposits of hydrates are located in Canada, the Gulf of Mexico, and Siberia under 

the seabed and under permafrost.   The amount of natural gas trapped  in hydrates  is estimated to be more than 

twice the amount of carbon in all other known fossil fuels on earth.  Hydrates represent a huge potential resource 

for future energy needs43.   

When hydrates form in natural‐gas lines, they prevent fluid flow. Whether or not hydrates form depends 

on gas composition, temperature, pressure and water content.  Because transport of natural gas is vital in the U.S. 

(and elsewhere), natural gas companies go to much trouble and expense to prevent hydrate formation.  

  Gas hydrates are also called clathrates; the Greek root of clathrate means claw.   Figure 41 shows three 

crystal structures of gas‐clathrate hydrates.  These structures were obtained from x‐ray‐diffraction data.  Structure 

I  hydrates  contain  46  water  molecules  per  eight  guest  molecules.    The  water  molecules  form  two  small 

dodecahedral  cavities  (cages)  and  six  large  tetradecahedral  cavities.  These  cavities  can  hold  only  small  guest 

molecules such as methane and ethane, with molecular diameters not exceeding 0.52 nm.   Structure  II hydrates 

consist  of  136 water molecules  per  24  gas molecules.    The water molecules  form  sixteen  small  dodecahedral 

cavities and eight large hexakaidecahedral cavities. They may contain guest molecules with molecular dimensions 

from 0.59 to 0.69 nm, such as propane and  isobutane.   Finally, structure H hydrates have cavities for both small 

and  large occupants.   They contain 34 water molecules per six gas molecules.   The  large cavities of structure H 

hydrates can hold larger molecules like isopentane and ethylcyclohexane.  

 

43 www.hydrate.org provides excellent information on gas hydrates. 

Page 101: Lecrure Notes

101 | T h e

Fieddo19

e m a t e r i a

igure 41 Threedges  on  each odecahedron. 998) 

T

a l i s s u b j

e typical unit cface.  The  ba(From Sloan E

Thermodynam

j e c t t o c

cells of gas hydasic  building  b. D. Clathrate 

mics for Molec

o p y r i g h t

drates.   Here, block  for  all  tHydrates of Na

cular Enginee

nm stands for hree  hydrate atural Gases, 2

ering, Wu and

a polyhedron structures  is 

2nd ed.; Marce

d Prausnitz, 3

with m faces the  512  pentael Dekker: New

/2010

 

and n agonal w York, 

Page 102: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

102 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  In off‐shore wells or in cold climates (e.g., Alaska), moist natural gas may form hydrates in transfer lines.  

Hydrate  formation must be prevented  lest  solid hydrate  crystals plug  the  transfer  lines.   A  reliable molecular‐

thermodynamic model is useful for predicting gas‐solid equilibria where the gas is a natural gas (mostly methane 

plus small amounts of light hydrocarbons and perhaps nitrogen, carbon dioxide and hydrogen sulfide) and the solid 

is a hydrate. 

  To find the amounts of various gases in a hydrate, we consider a clathrate hydrate in equilibrium with an 

m‐component gas mixture.   We assume  that  the hydrate  consists of  n   types of  cages and  that each  cage  can 

contain at most one guest molecule.   The guest molecules within  the hydrate cannot diffuse  from one  cage  to 

another  and  there  is  no  interaction  between  guest  molecules  that  reside  in  different  cages.    With  these 

assumptions, the hydrate phase is equivalent to a set of independent open subsystems where each subsystem is a 

cage  in equilibrium with an m‐component gas mixture.   Therefore,  it  is appropriate to apply the grand canonical 

ensemble for gas adsorption in a porous medium.   

  We  want  to  find  the  amount  and  composition  of  natural‐gas  molecules  in  hydrates  at  a  given 

temperature, pressure, humidity and gas composition.   For each subsystem (cage), with microstates specified by 

the occupation numbers of the gas molecules, the grand canonical partition function for a cage i is 

    ,1

1 j

m

i i jj

q e

  (1) 

where  m   is the number of components, subscripts  i  and  j  denote the type of cage and type of gas molecule, 

respectively;  ,i jq  is the partition function of a  j  molecule in a type  i  cage; and, following usual notation,   and 

 are chemical potential and 1/( )Bk T , respectively.  The first term (unity) on the right side of Eq.(1) corresponds 

to  the microstate where  the  cage  is  empty,  and  ,j

i jq e  corresponds  to  the microstate where  the  cage  i   is 

occupied by a gas molecule of type  j .  For a cage in equilibrium with an m‐component gas mixture such that the 

cage can contain at most one gas molecule, there are m+1 possible situations  including an empty cage or a cage 

containing one of the m different gas molecules.  Figure 42 illustrates the number of ways that a hydrate cage can 

be in equilibrium with a two‐component gas mixture. 

Page 103: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

103 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Figure 42 Number of ways for a hydrate cage (shown as a pentagon) can be filled with one gas molecule from a binary mixture.   The cage contains at most one gas molecule: (a) the cage  is unoccupied; (b) the cage contains a gas molecule of type 1; (c) the cage contains a gas molecule of type 2. Thus, the number of ways is three. 

  Because all  subsystems  (cages) are  independent of each other,  the partition  function of  the hydrate  is 

given by the product of the partition functions of individual cavities44, 

     ,11

1i W

j

k Nn m

i jji

q e

  (2) 

where  WN   is  the  total  number of water  (ice) molecules  and  ik   is  the  number  of  cages  of  type  i   per water 

molecule.  From the partition function, we can derive desired macroscopic thermodynamic properties.  

  The average number of guest molecules of type  j  in the hydrate phase,  jN , can be determined by 

differentiating  ln  with respect to  j :  

    ,

1,

1

ln

1

j

j

Ni W i j

j mij

i jj

k N q eN

q e

  (3) 

where  jN  is the number of guest molecules of type  j  in all types of cages.   

  Because  jN , an extensive property of the system,  is a  linear, homogeneous  function45 of the total 

number of cages, we can derive the number of molecules of type  j  in cages of type  i  from Eq.(3).  

44 This assumption is equivalent to saying that the grand potential of the hydrate is given by the sum of the those of the individual cavities.   

Type 1: Type 2: Gas Phase

Hydrate Phase

Gas Molecule

(b) (c) (a)

Page 104: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

104 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

    ,

,

,1

1

j

m

i W i ji j M

i mm

k N q eN

q e

.  (4) 

It follows that,  ,i jx ,  the fraction of cages of type  i  occupied by gas molecules of type  j , is given by  

    , ,

,

,1

1

j

m

i j i ji j M

i Wi m

m

N q ex

k Nq e

  (5) 

  Near atmospheric pressure, the chemical potential of a gas molecule can be approximated by that of an 

ideal gas46, 

     0 lnj j jP   (6) 

where superscript 0 denotes the standard state, defined as pure gas  j  at system temperature and unit pressure, 

and  jP  is the partial pressure of  j  in the gas mixture.  Substituting Eq.(6) into Eq.(5) gives the fraction of cages  i  

that are occupied by a gas molecule of type  j  

     ,

,

,1

1

i j ji j M

i m mm

C Px

C P

  (7) 

where  

   0

, ,j

i j i jC q e   (8) 

is  a model  parameter  depending  on microscopic  interactions  between  the  cage  and  its  guest  gas molecule. 

Summation with respect to index  j  on both sides of Eq.(7) yields  

    

1

, ,1 1

1 1m m

i j j i jj j

C P x

.  (9) 

  Eq.(8)  is  the key equation  for correlating natural‐gas/hydrate equilibria.   This equation  is  similar  to  the 

Langmuir  isotherm equation  for multi‐component systems.   Parameter  ijC  can be determined  from a potential 

45 A linear homogeneous function satisfies  ( ) ( )f x f x

where   is an arbitrary  scalar parameter and  x represents a set 

of independent variables.  46 If the gas is nonideal, the partial pressure in Eq.(7) should be replaced by the corresponding fugacity. 

Page 105: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

105 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

function  that describes  the  interaction between  a  guest molecule  and  a host molecule,  that  is, between  a  gas 

molecule  and  a  hydrate‐forming  water  molecule  (Box  5).    However,  in  practical  applications,  ijC   is  usually 

obtained by fitting Eq.(8) to some experimental data for a hydrate in equilibrium with a pure gas.  Once all  ijC  are 

fixed, Eq.(8) provides a useful method  for predicting gas sorption and hydrate composition at various operating 

conditions  for mixed  gases.    For  example,  Figure  43  shows  theoretical  predictions  for  hydrate  formation  for 

mixtures of propane  and methane.   At  a  given  gas  composition,  the  gas  is  in  equilibrium with  liquid water  at 

temperatures  above  0°C.   As  the  temperature  falls,  hydrates  form  and  three  phases  are  in  equilibrium.   With 

further  reduction of  temperature,  the water phase disappears.   Figure 43 also shows  the dramatic effect of gas 

composition on hydrate formation pressure.   

Temperature (K)

270 272 274 276 278 280 282 284 286 288

Pre

ssu

re (

kPa)

100

1000

10000

Mol% of Propane

0

1.0

2.6

4.8

11.7

28.8

63.8

100

 

Figure 43 Predicted (lines) and measured (points) phase boundaries for mixtures of methane and propane in a system containing liquid water with the model parameters from pure‐gas hydrate data (from Sloan E. D., Energy & Fuels, 12, 191‐196, 1998). 

Page 106: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

106 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

  Because  the grand partition  function depends on  the  total number of  cages or, equivalently,  the  total 

number of water molecules in all cages, the derivative of  ln  with respect to  WN  represents an excess chemical 

potential  of  water,  relative  to  its  hydrate‐free  state,    due  to  formation  of  the  hydrate.  The  excess  chemical 

potential reflects a propensity of water molecules to form a gas hydrate.  From Eq.(2), we find the reduced excess 

chemical potential of water 

     ,1 1

lnln(1 )j

n MexW i i j

i jW

k q eN

  (10) 

Using Eqs.(8) and (9), we can rearrange the above equation   

     ,1 1

ln 1n m

exW i i j j

i j

k C P

.  (11) 

Because  ik  and  ,i jC  are positive, Eq.(11)  indicates  that  the occupation of hydrate  cavities by guest molecules 

reduces the chemical potential of water, making the hydrate phase thermodynamically more stable.   This result 

explains why hydrate is often formed in the presence natural gas.  

Page 107: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

107 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

 

Box5CijandIntermolecularInteractions

Parameter  ijC  in Eq.(8) can be calculated from intermolecular interaction between a gas molecule and the 

hydrate  cage. The  connection provides  a  theoretical basis  to  find  the effect of  temperature on  gas  sorption or hydrate composition.  

Consider the canonical partition function of a single gas molecule inside a hydrate cage.  For simplicity, we assume that both cage and gas molecule are spherical so that the interaction potential between the gas molecule 

and the cage can be represented by an isotropic function  ( )r , where  r  is the distance of the guest molecule’s 

center from the cage center. The canonical partition function is related to that of a free gas molecule  0q  by 

     ( )roqq dre

v

   

where  v  denotes the internal volume of the hydrate cage, and the integral is performed with respect to the cage 

volume.   The proportionality constant  0 /q v  can be calculated from the  ideal‐gas  law and the standard chemical 

potential of the gas  

     00

0 /q v P e    

where  0P and  0 are, respectively, the pressure and chemical potential at the standard state.  Substitution of the 

above two equations into Eq.(9) gives  

     0

0 ( ), ,

j ri j i jC q e P dre

With a suitable potential for  interaction between the cage and a gas molecule, this equation allows us to predict 

parameter  ijC  and its temperature dependence.  

Page 108: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

108 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1.16Partitionfunctionsforclassicalsystems

In macroscopic systems the dynamic properties of individual molecules are often described by Newtonian

mechanics instead of quantum mechanics. In that case, a microstate is represented by two types of continuous

dynamic variables: momenta and positions of individual particles that provide a classical representation of the

molecules. As a result, summation of microstates in a partition function must be replaced by integration in the phase

space, i.e., a multi-dimensional continuous space defining the momenta and positions of classical particles. The

connection between quantum and classical descriptions of molecular systems can be established by considering an

ideal gas of atomic molecules.

Consider an ideal-gas system containing N identical monatomic molecules in volume V . As discussed in

Section 1.4, the canonical partition function is defined by a summation over all accessible microstates. Because

molecules are non-interacting in an ideal gas, the canonical partition function is related to q , the partition

function of individual molecules

!

NIG q

N (1)

where !N accounts for the indistinguishablilty of the ideal-gas molecules. For a single atomic molecule, the

canonical partition function is

0 3

Vq q

(2)

where 0q is the intrinsic partition function related to the motions of electrons and nuclei, 2 / 2h m stands

for the thermal wavelength, h is the Planck constant, 1/( )Bk T , and m is the molecular mass. For a system

free of chemical reactions, 0q depends only on temperature47.

In classical mechanics, a microstate of the ideal-gas system is specified by the positions and momenta of

individual molecules. The 6N–dimensional hyperspace is called phase space ( , )N Nr p

, where

47 While in principle thermodynamics remains applicable in quantum mechanics to determine the distributions of electrons and nuclei that underlie the bond connectivity, we confine our interest to systems free of chemical reactions such that the electronic properties are not of concern. 

Page 109: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

109 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1 2{ , , , }NNp p p p denotes the momenta of all molecules, and 1 2{ , , , }N

Nr r r r stands for the positions of

all molecular centers. Because there is no intermolecular interaction in an ideal-gas system, the total energy depends

only on the momenta of individual molecules:

2

1

( , )2

NN N i

i

pE r p

m

. (3)

Correspondingly, the canonical partition function is evaluated by integration over the phase space

3 /22 3

2

1

1 2exp exp( / 2 )

! 2 ! !

NN NNNIG N N i

Ni

p V V mdp dr p m dp

N C m N C N C

, (4)

where !N accounts for indistinguishablility, and constant C is introduced to make the partition function is

dimensionless. This constant can be fixed by a comparison of the partition function from quantum mechanics (Eq.2):

30/C h q (5)

Eq.(5) suggests that in evaluation of a partition function for a classical system, the summation over microstates

should be replaced by integration over the phase space

03

NN N

N

qdp dr

h

. (6)

The above procedure can be similarly extended to polyatomic systems and other ensembles. Table 4

summarizes the expressions of the partition functions and the phase-space probability densities in isolated,

canonical, grand canonical and isothermal-isobaric ensembles of one-component classical systems. Here =( Np

,

Nr

) stands for a particular point in phase space and N Nd dp dr , and 0q is omitted because in most cases it

does not contribute to the thermodynamic properties of the system.

Page 110: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

110 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Table 4 Partition functions and probability densities for a one‐component classical fluid in different ensembles 

 

   

Ensemble Partition Function Probability Density

Micro canonical 3, .

1( , , )

! NE V constW N V E dv

N h 3

1 1( )

! Np v

W N h

Canonical ( )

3( , , )

!

E v

N

eQ N V T dv

N h

( )

3

1 1( )

!E v

Np v e

Q N h

Grand canonical [ ( ) ]

3( , , )

!

E v N

NN

eV T dv

N h

[ ( ) ]

3

1 1( )

!E v N

Np v e

N h

Isobaric-isothermal [ ( ) ( )]

3( , , )

!

E v PV v

NN

eY N P T dv

N h

[ ( ) ( )]

3

1 1( )

!E v PV v

Np v e

Y N h

Page 111: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

111 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Summary

Thermodynamics concerns macroscopic systems, i.e., those containing a large number of microscopic

elements such as atoms, molecules, electrons, or photons. While at equilibrium a thermodynamic system can be

specified by a few macroscopic variables such as temperature, pressure, volume or composition, because of the very

large number of elements (or particles), the microscopic details can only be specified by statistical means. To link

the microscopic details, called microstates, to macroscopic thermodynamic properties, we use statistical

thermodynamics. Statistical thermodynamics provides a formal mathematical framework to describe the distribution

of microstates in a thermodynamic system.

For a typical thermodynamic system, the number of microstates is extensively large. As a result, the

distribution of microstates is exactly solvable only for a few highly idealized systems. For more realistic systems, we

need to use a molecular model that describes how molecules interact with each other (intermolecular forces) and

where molecules are located in space (structure). As illustrated by the examples in this chapter, using simple

molecular models, we can establish quantitative connections between macroscopic properties of realistic systems

and microscopic details.

Conceptschecklist

Ensemble: a large number of systems with identical macroscopic thermodynamic prescriptions

Ergodic: equivalence of time average and ensemble average

Microstate: a detailed specification (e.g., positions and momenta) of all microscopic elements

Constraints: conditions imposed on the distribution of microstates

Partition function: normalization factor in the statistical description of microstates

Internal energy: energy of microscopic elements

Entropy: freedom of microscopic elements

Ideal gas: a gas free of intermolecular interactions

Page 112: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

112 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

Problems

1. Discuss whether the following macroscopic variables are necessary and sufficient to define an equilibrium

system:

a) a pure liquid of known mass at given temperature and density.

b) a pure liquid of known mass at given temperature and pressure.

c) a pure liquid of known mass at given density and pressure.

d) a two-phase system at given temperature, pressure and compositions of one phase.

e) a pure liquid at given total energy, volume and mass.

f) a pure liquid at given total energy, volume and pressure.

g) a solid at given temperature, pressure and composition.

h) a pure vapor at given total entropy, temperature and volume.

2. According to Newtonian dynamics, the kinetic energy of a gas molecule is given by 2( ) / 2v mv

where m stands for the molecular mass and v for velocity. Derive the average kinetic energy using the Boltzmann

distribution law. What’s the physical significance of temperature?

3. An ethane molecule may be in one of the two conformation states as shown in the following

Staggered conformation Eclipsed conformation

Because of the steric effects, the energy at the staggered conformation is 12.5 kJ/mole lower than that at the eclipsed

conformation.

a) Confining attention to the two conformers only, calculate the canonical partition function for 10 independent

ethane molecules at 298 K.

b) Find the relative populations of the two conformers in an ideal gas of ethane molecules at 298 K.

Page 113: Lecrure Notes

113 | T h e

4. Beta car

chain of 22

biological

In the conj

there are 2

be describe

where the b

two electro

a) Estimate

b) Assume

will be in t

c) Explain

5. Given a

eV and 3 e

a) Derive t

b) Calculat

c) What is

d) Why is t

e m a t e r i a

rotene consists

2 carbon atoms

oxidations.

ugated double

2 sharing elect

ed by “particle

box length is L

ons.

e the distributio

e that the molec

the first excited

the color of ca

system of N di

eV, respectively

the canonical p

te the average

the molar heat

the average en

T

a l i s s u b j

of a linear con

s. This molecul

bonds, only on

trons in each be

s” in a one-dim

n

2.2L nm. Be

on of electrons

cule will not be

d state.

arrot (due to be

istinguishable,

y.

partition functio

energy per mo

t capacity at 29

ergy and heat c

Thermodynam

j e c t t o c

njugated polyen

le plays an imp

ne electron per

eta carotene. A

mension box

2 2

28

n h

mL

ecause of the e

s among differe

e decomposed,

eta carotene mo

independent p

on;

lecule at 298 K

98 K?

capacity depen

mics for Molec

o p y r i g h t

ne with 10 C-C

portant role in p

r carbon atom i

Approximately,

1,2n

exclusion princ

ent energy state

, estimate the te

olecules).

particles that ea

K;

ndent on tempe

cular Enginee

C bonds and 11

photon synthes

is allowed to m

, the energy sta

2

ciple, each ener

es at 298K.

emperature tha

ach particle ma

erature?

ering, Wu and

1 C=C bonds, a

sis and protect

move along the

ates of these “f

rgy state can ac

at 5% of beta c

ay be in one of

d Prausnitz, 3

alternate along

tion against har

chain freely, i

free” electrons

ccommodate at

carotene molecu

f two energy sta

/2010

a

rmful

i.e.,

can

t most

ules

ates, 1

Page 114: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

114 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

6. Based on the Maxwell velocity distribution, derive that the flux of gas molecules, i.e., the number of gas

molecules passing through a small hole per unit area and unit time, is

2Bk T

Jm

where is the number density of gas molecules, and m is molecular mass.

7. Effusion was used for separation of 235U from 238U isotopes in the development of the atomic bomb. To use the

effusion method, the uranium isotopes are first converted to uranium hexafluoride (UF6) gas, which is forced to

diffuse through porous barriers repeatedly, each time becoming a little more enriched in the slightly lighter 235U

isotope. The 235U to 238U ratio in a typical uranium ore is 1:140. Based on the equation derived from Problem 6,

estimate how many separation stages are required to obtain 90% 235U.

8. Consider a liquid in equilibrium with its vapor. The rate of condensation (per unit area) can be estimated from the

number of the gas molecules impinging on the solid or liquid surface multiplied by an efficiency factor

2Bk T

Jm

At equilibrium, the rate of gas molecule condensation is the same as the rate of evaporation. Assume 0.5 ,

estimate how long it takes to dry up a pond of 100 m2 in surface area and 10 m in depth open to 50OC dry air.

9. Calculate the entropy, Helmholtz energy, chemical potential, and heat capacity of argon gas at 25oC and 1 atm by

using the equations for a monatomic ideal gas. Compare your result with the entropy for argon obtained from

calorimetric experiments (155 JK-1mol-1).

10. A biomacromolecule such as a polypeptide or a DNA chain may form a helical structure, i.e., organization of the

monomers along the polymer backbone. To the zeroth-order approximation, we may assume that each monomer can

be in one of two states different in length but similar in energy. Imagine that we have a very long idealized linear

Page 115: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

115 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

biomacromolecule as shown above that consists of N identical segments and each segment can exist in length 0l

or

0l l . The total length of the polymer is 1

N

ii

L l

where il is the length of segment i.

a) Derive an expression for entropy ln ( , )BS k W N L

b) Based on the result from (a), derive an expression for the tension ,U N

Sf T

L

as a function of temperature

T, polymer length L, and number of segments N.

11. NMR measurement is based on the population of proton spins in a magnetic field. The nuclear of a hydrogen

atom, a proton, has a magnetic moment of 241005.5 J Tesla-1. In a magnetic field, the proton has two energy

states corresponding to spin up and spin down. The energy difference between these two states can be expressed as

B 79.2

where B is the magnitude of the magnetic field. For a 300 MHz NMR instrument, 7B Telsa.

a) Compute the average energy per proton and the relative distribution of protons at 298T K;

b) Describe how the relative distribution varies with temperature.

12. The energy of a gas molecule in the earth’s gravitational field is a function of the altitude z

mgzz )(

where m is the molecular mass, g is the gravitational constant. Assume that the atmosphere is at equilibrium and

at a constant temperature of 298 K, estimate the atmospheric pressure at 100 km above the sea level.

13. Consider a system that has N distinguishable non-interacting particles with two energy levels for each particle:

a ground state with energy zero, and an excited state with energy 00 . Find the average energy per particle and

the constant volume heat capacity.

Page 116: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

116 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

14. The degeneracy in a canonical ensemble can be understood as the number of microstates that have the identical

energy. Suppose that a system has energy levels at 0 , 300 Bk , and 600 Bk with degeneracies 1, 3, and 5,

respectively. Here the energy has the units of Joule and Bk is the Boltzmann constant.

a) Calculate the Canonical partition function, the relative populations of energy levels, and the average energy at

298T K;

b) At what temperature is the population of the energy level at 600 Bk equal to that at 300 Bk ?

15. Based on Einstein’s model of ideal solids and the ideal-gas law for the vapor phase, derive an equation to predict

the vapor pressure of an ideal solid.

16. The molar heat capacity of a monatomic solid at 300 K is 2R where R is the ideal-gas constant. Use the Einstein

model to calculate the frequency of vibration.

17. The end effects are non-negligible for the helical-coil transition of a short polypeptide chains. But in this case,

we may assume that there is only one helical region for a polypeptide with m residues and that the maximum

number of hydrogen bonds is 4m . Show that the partition function for a short chain is given by

Q m i si

i

m

1 31

4

( ) ,

where ( )m i 3 takes into account the number of ways to arrange an i -residue helical region in an m-residue

polypeptide chain. From the partition function, derive the helix fraction

1

4

3

4 1 3

1

4

1

4( )

ln

ln

( )

( )[ / ( ) ]m

d Q

d s

i m i s

m m i s

i

i

m

i

i

m

and plot the function for different values of s and .

18. For a one-component system, we may reformulate the mean-square deviations of the number of particles in

terms of the isothermal compressibility,

Page 117: Lecrure Notes

Thermodynamics for Molecular Engineering, Wu and Prausnitz, 3/2010

117 | T h e m a t e r i a l i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t

1

TTP

,

where /N V is the average number density. At constant T , the Gibbs-Duhem equation for a one-

component fluid is

T T

P

.

For a one-component fluid, pressure and chemical potential, as well as their derivatives with respect to density,

depend only on temperature and density. Show that the isothermal compressibility can be expressed as

2

2 2, ,,

1T

T V T VT V

NN

N N

19. Demonstrate that both heat capacity and isothermal compressibility must be non-negative for an open system at

equilibrium. Discuss the physical significance of these quantities to thermodynamic stability.