Parallel edition
On the Motion of Particles Suspended in Liquids at Rest, as Required by the Molecular-Kinetic Theory of Heat
By A. Einstein · Annalen der Physik (4) 17, 549–560 (1905).
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§ 2. The osmotic pressure from the standpoint of the molecular-kinetic theory of heat.[1)]
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[p. 551]Sind Zustandsvariable eines physikalischen Systems, welche den momentanen Zustand desselben vollkommen bestimmen (z. B. die Koordinaten und Geschwindigkeitskomponenten aller Atome des Systems) und ist das vollständige System der Veränderungsgleichungen dieser Zustandsvariabeln von der FormState variableElapsed timeState variable rateState variableState variableExplain this equation gegeben, wobei , so ist die Entropie des Systems durch den Ausdruck gegeben:EntropySystem energyAbsolute temperatureBoltzmann constantMicrostate energyState variableState variableExplain this equation Hierbei bedeutet die absolute Temperatur, die Energie des Systems, die Energie als Funktion der . Das Integral ist über alle mit den Bedingungen des Problems vereinbaren Wertekombinationen der zu erstrecken. ist mit der oben erwähnten Konstanten durch die Relation verbunden. Für die freie Energie erhalten wir daher:Free energyGas constantAvogadro's numberAbsolute temperatureMicrostate energyState variableState variableConfiguration integralExplain this equation
English
If are variables of state of a physical system that completely determine its instantaneous state (for example, the coordinates and velocity components of all the atoms of the system), and if the complete system of the equations of change of these variables of state is given in the form State variableElapsed timeState variable rateState variableState variableExplain this equation where , then the entropy of the system is given by the expression: EntropySystem energyAbsolute temperatureBoltzmann constantMicrostate energyState variableState variableExplain this equation Here denotes the absolute temperature, the energy of the system, and the energy as a function of the . The integral is to be extended over all combinations of values of the that are compatible with the conditions of the problem. is connected with the constant mentioned above by the relation . For the free energy we therefore obtain: Free energyGas constantAvogadro's numberAbsolute temperatureMicrostate energyState variableState variableConfiguration integralExplain this equation
Deutsch
[p. 552]Wir denken uns nun eine in dem Volumen eingeschlossene Flüssigkeit; in dem Teilvolumen von mögen sich gelöste Moleküle bez. suspendierte Körper befinden, welche im Volumen durch eine semipermeabele Wand festgehalten seien; es werden hierdurch die Integrationsgrenzen des in den Ausdrücken für und auftretenden Integrales beeinflußt. Das Gesamtvolumen der gelösten Moleküle bez. suspendierten Körper sei klein gegen . Dies System werde im Sinne der erwähnten Theorie durch die Zustandsvariabeln vollständig dargestellt.
English
We now imagine a liquid enclosed in the volume ; in the partial volume of let there be dissolved molecules or suspended bodies, which are held in the volume by a semipermeable wall; the limits of integration of the integral that occurs in the expressions for and are thereby affected. Let the total volume of the dissolved molecules or suspended bodies be small compared with . Let this system be completely described, in the sense of the theory mentioned, by the variables of state .
Deutsch
[p. 552]Wäre nun auch das molekulare Bild bis in alle Einzelheiten festgelegt, so böte doch die Ausrechnung des Integrales solche Schwierigkeiten, daß an eine exakte Berechnung von kaum gedacht werden könnte. Wir brauchen jedoch hier nur zu wissen, wie von der Größe des Volumens abhängt, in welchem alle gelösten Moleküle bez. suspendierten Körper (im folgenden kurz „Teilchen“ genannt) enthalten sind.
English
Even if the molecular picture were fixed down to every detail, the evaluation of the integral would still present such difficulties that an exact calculation of could hardly be contemplated. Here, however, we need only know how depends on the size of the volume in which all the dissolved molecules or suspended bodies (called “particles” for short in what follows) are contained.
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[pp. 552–553]Wir nennen die rechtwinkligen Koordinaten des Schwerpunktes des ersten Teilchens, die des zweiten etc., die des letzten Teilchens und geben für die Schwerpunkte der Teilchen die unendlich kleinen parallelepipedförmigen Gebiete , welche alle in gelegen seien. Gesucht sei der Wert des im Ausdruck für auftretenden Integrales mit der Beschränkung, daß die Teilchenschwerpunkte in den ihnen soeben zugewiesenen Gebieten liegen. Dies Integral läßt sich jedenfalls auf die FormConfiguration integralLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Configuration integral factorExplain this equation bringen, wobei von etc., sowie von , d. h. von der Lage der semipermeabeln Wand, unabhängig ist. ist aber auch unabhängig von der speziellen Wahl der Lagen der Schwerpunktsgebiete und von dem Werte von , wie sogleich gezeigt werden soll. Sei nämlich ein zweites System von unendlich kleinen Gebieten für die Teilchenschwerpunkte gegeben und bezeichnet durch , welche Gebiete sich von den ursprünglich gegebenen nur durch ihre Lage, nicht aber durch ihre Größe unterscheiden mögen und ebenfalls alle in enthalten seien, so gilt analog:Configuration integralLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Configuration integral factorExplain this equation wobeiLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Explain this equation Es ist also:Configuration integralConfiguration integralConfiguration integral factorConfiguration integral factorExplain this equation
English
We call the rectangular coordinates of the center of gravity of the first particle, those of the second, etc., those of the last particle, and we assign to the centers of gravity of the particles the infinitely small parallelepiped-shaped regions , all of which are to lie in . Let the value be sought of the integral occurring in the expression for , with the restriction that the centers of gravity of the particles lie in the regions just assigned to them. This integral can in any case be brought into the form Configuration integralLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Configuration integral factorExplain this equation where is independent of etc., and of , that is, of the position of the semipermeable wall. But is also independent of the particular choice of the positions of the regions for the centers of gravity, and of the value of , as is now to be shown. For let a second system of infinitely small regions for the centers of gravity of the particles be given, denoted by , regions that are to differ from those originally given only in their position and not in their size, and that are likewise all to be contained in ; then, analogously, Configuration integralLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Configuration integral factorExplain this equation where Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Explain this equation We therefore have: Configuration integralConfiguration integralConfiguration integral factorConfiguration integral factorExplain this equation
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[p. 553]Aus der in den zitierten Arbeiten gegebenen molekularen Theorie der Wärme läßt sich aber leicht folgern[1)], daß bez. gleich ist der Wahrscheinlichkeit dafür, daß sich in einem beliebig herausgegriffenen Zeitpunkte die Teilchenschwerpunkte in den Gebieten bez. in den Gebieten befinden. Sind nun die Bewegungen der einzelnen Teilchen (mit genügender Annäherung) voneinander unabhängig, ist die Flüssigkeit homogen und wirken auf die Teilchen keine Kräfte, so müssen bei gleicher Größe der Gebiete die den beiden Gebietssystemen zukommenden Wahrscheinlichkeiten einander gleich sein, so daß gilt:Configuration integralConfiguration integralExplain this equation Aus dieser und aus der zuletzt gefundenen Gleichung folgt aberConfiguration integral factorConfiguration integral factorExplain this equation
English
From the molecular theory of heat given in the papers cited, however, it can easily be inferred[1)] that (respectively ) is equal to the probability that at an arbitrarily chosen instant the centers of gravity of the particles lie in the regions (respectively in the regions ). Now if the motions of the individual particles are independent of one another (to a sufficient approximation), if the liquid is homogeneous, and if no forces act on the particles, then for regions of equal size the probabilities belonging to the two systems of regions must be equal to each other, so that: Configuration integralConfiguration integralExplain this equation But from this equation and the one found last it follows that Configuration integral factorConfiguration integral factorExplain this equation
Deutsch
[p. 553]Es ist somit erwiesen, daß weder von noch von abhängig ist. Durch Integration erhält manConfiguration integralConfiguration integral factorLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)VolumeParticle countExplain this equation und darausFree energyGas constantAbsolute temperatureAvogadro's numberConfiguration integral factorParticle countVolumeExplain this equation undOsmotic pressureFree energyVolumeGas constantAbsolute temperatureParticle countAvogadro's numberNumber densityExplain this equation
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It is thus proved that depends neither on nor on . By integration one obtains Configuration integralConfiguration integral factorLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)VolumeParticle countExplain this equation and from this Free energyGas constantAbsolute temperatureAvogadro's numberConfiguration integral factorParticle countVolumeExplain this equation and Osmotic pressureFree energyVolumeGas constantAbsolute temperatureParticle countAvogadro's numberNumber densityExplain this equation
Deutsch
[p. 553]Durch diese Betrachtung ist gezeigt, daß die Existenz des osmotischen Druckes eine Konsequenz der molekularkinetischen Theorie der Wärme ist, und daß nach dieser Theorie gelöste Moleküle und suspendierte Körper von gleicher Anzahl sich in bezug auf osmotischen Druck bei großer Verdünnung vollkommen gleich verhalten.
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This consideration shows that the existence of osmotic pressure is a consequence of the molecular-kinetic theory of heat, and that according to this theory dissolved molecules and suspended bodies present in equal numbers behave in exactly the same way with respect to osmotic pressure at great dilution.
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Bern, May 1905.
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(Received 11 May 1905.)
Fußnoten
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- 1) In diesem Paragraph sind die Arbeiten des Verfassers über die Grundlagen der Thermodynamik als bekannt vorausgesetzt (vgl. Ann. d. Phys. 9. p. 417. 1902; 11. p. 170. 1903). Für das Verständnis der Resultate der vorliegenden Arbeit ist die Kenntnis jener Arbeiten sowie dieses Paragraphen der vorliegenden Arbeit entbehrlich. ↩
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- 1) A. Einstein, Ann. d. Phys. 11. p. 170. 1903. ↩
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