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).

Deutsch

[p. 551]§ 2. Der osmotische Druck vom Standpunkte der molekularkinetischen Theorie der Wärme.[1)]

English

§ 2. The osmotic pressure from the standpoint of the molecular-kinetic theory of heat.[1)]

Deutsch

[p. 551]Sind p1p2…plp_1 p_2 \ldots p_l 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 Form∂pν∂t=φν(p1…pl)(ν=1,2…l)\frac{\partial p_\nu}{\partial t} = \varphi_\nu(p_1 \ldots p_l) \quad (\nu = 1, 2 \ldots l)State variableElapsed timeState variable rateState variableState variableExplain this equation gegeben, wobei ∑∂φν∂pν=0\sum \frac{\partial \varphi_\nu}{\partial p_\nu} = 0, so ist die Entropie des Systems durch den Ausdruck gegeben:S=EˉT+2ϰlg⁡∫e−E2ϰTdp1…dpl.S = \frac{\bar{E}}{T} + 2 \varkappa \lg \int e^{-\frac{E}{2 \varkappa T}} d p_1 \ldots d p_l.EntropySystem energyAbsolute temperatureBoltzmann constantMicrostate energyState variableState variableExplain this equation Hierbei bedeutet TT die absolute Temperatur, Eˉ\bar{E} die Energie des Systems, EE die Energie als Funktion der pνp_\nu. Das Integral ist über alle mit den Bedingungen des Problems vereinbaren Wertekombinationen der pνp_\nu zu erstrecken. ϰ\varkappa ist mit der oben erwähnten Konstanten NN durch die Relation 2ϰN=R2 \varkappa N = R verbunden. Für die freie Energie FF erhalten wir daher:F=−RNTlg⁡∫e−ENRTdp1…dpl=−RTNlg⁡B.F = -\frac{R}{N} T \lg \int e^{-\frac{E N}{R T}} d p_1 \ldots d p_l = -\frac{R T}{N} \lg B.Free energyGas constantAvogadro's numberAbsolute temperatureMicrostate energyState variableState variableConfiguration integralExplain this equation

English

If p1p2…plp_1 p_2 \ldots p_l 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 ∂pν∂t=φν(p1…pl)(ν=1,2…l)\frac{\partial p_\nu}{\partial t} = \varphi_\nu(p_1 \ldots p_l) \quad (\nu = 1, 2 \ldots l)State variableElapsed timeState variable rateState variableState variableExplain this equation where ∑∂φν∂pν=0\sum \frac{\partial \varphi_\nu}{\partial p_\nu} = 0, then the entropy of the system is given by the expression: S=EˉT+2ϰlg⁡∫e−E2ϰTdp1…dpl.S = \frac{\bar{E}}{T} + 2 \varkappa \lg \int e^{-\frac{E}{2 \varkappa T}} d p_1 \ldots d p_l.EntropySystem energyAbsolute temperatureBoltzmann constantMicrostate energyState variableState variableExplain this equation Here TT denotes the absolute temperature, Eˉ\bar{E} the energy of the system, and EE the energy as a function of the pνp_\nu. The integral is to be extended over all combinations of values of the pνp_\nu that are compatible with the conditions of the problem. ϰ\varkappa is connected with the constant NN mentioned above by the relation 2ϰN=R2 \varkappa N = R. For the free energy FF we therefore obtain: F=−RNTlg⁡∫e−ENRTdp1…dpl=−RTNlg⁡B.F = -\frac{R}{N} T \lg \int e^{-\frac{E N}{R T}} d p_1 \ldots d p_l = -\frac{R T}{N} \lg B.Free energyGas constantAvogadro's numberAbsolute temperatureMicrostate energyState variableState variableConfiguration integralExplain this equation

Deutsch

[p. 552]Wir denken uns nun eine in dem Volumen VV eingeschlossene Flüssigkeit; in dem Teilvolumen V∗V^* von VV mögen sich nn gelöste Moleküle bez. suspendierte Körper befinden, welche im Volumen V∗V^* durch eine semipermeabele Wand festgehalten seien; es werden hierdurch die Integrationsgrenzen des in den Ausdrücken für SS und FF auftretenden Integrales BB beeinflußt. Das Gesamtvolumen der gelösten Moleküle bez. suspendierten Körper sei klein gegen V∗V^*. Dies System werde im Sinne der erwähnten Theorie durch die Zustandsvariabeln p1…plp_1 \ldots p_l vollständig dargestellt.

English

We now imagine a liquid enclosed in the volume VV; in the partial volume V∗V^* of VV let there be nn dissolved molecules or suspended bodies, which are held in the volume V∗V^* by a semipermeable wall; the limits of integration of the integral BB that occurs in the expressions for SS and FF are thereby affected. Let the total volume of the dissolved molecules or suspended bodies be small compared with V∗V^*. Let this system be completely described, in the sense of the theory mentioned, by the variables of state p1…plp_1 \ldots p_l.

Deutsch

[p. 552]Wäre nun auch das molekulare Bild bis in alle Einzelheiten festgelegt, so böte doch die Ausrechnung des Integrales BB solche Schwierigkeiten, daß an eine exakte Berechnung von FF kaum gedacht werden könnte. Wir brauchen jedoch hier nur zu wissen, wie FF von der Größe des Volumens V∗V^* 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 BB would still present such difficulties that an exact calculation of FF could hardly be contemplated. Here, however, we need only know how FF depends on the size of the volume V∗V^* in which all the dissolved molecules or suspended bodies (called “particles” for short in what follows) are contained.

Deutsch

[pp. 552–553]Wir nennen x1,y1,z1x_1, y_1, z_1 die rechtwinkligen Koordinaten des Schwerpunktes des ersten Teilchens, x2,y2,z2x_2, y_2, z_2 die des zweiten etc., xn,yn,znx_n, y_n, z_n die des letzten Teilchens und geben für die Schwerpunkte der Teilchen die unendlich kleinen parallelepipedförmigen Gebiete dx1dy1dz1,dx2dy2dz2…dxndyndznd x_1 d y_1 d z_1, d x_2 d y_2 d z_2 \ldots d x_n d y_n d z_n, welche alle in V∗V^* gelegen seien. Gesucht sei der Wert des im Ausdruck für FF auftretenden Integrales mit der Beschränkung, daß die Teilchenschwerpunkte in den ihnen soeben zugewiesenen Gebieten liegen. Dies Integral läßt sich jedenfalls auf die FormdB=dx1dy1…dzn⋅Jd B = d x_1 d y_1 \ldots d z_n \cdot JConfiguration integralLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Configuration integral factorExplain this equation bringen, wobei JJ von dx1dy1d x_1 d y_1 etc., sowie von V∗V^*, d. h. von der Lage der semipermeabeln Wand, unabhängig ist. JJ ist aber auch unabhängig von der speziellen Wahl der Lagen der Schwerpunktsgebiete und von dem Werte von V∗V^*, wie sogleich gezeigt werden soll. Sei nämlich ein zweites System von unendlich kleinen Gebieten für die Teilchenschwerpunkte gegeben und bezeichnet durch dx1′dy1′dz2′,dx2′dy2′dz2′…dxn′dyn′dzn′d x'_1 d y'_1 d z'_2, d x'_2 d y'_2 d z'_2 \ldots d x'_n d y'_n d z'_n, welche Gebiete sich von den ursprünglich gegebenen nur durch ihre Lage, nicht aber durch ihre Größe unterscheiden mögen und ebenfalls alle in V∗V^* enthalten seien, so gilt analog:dB′=dx1′dy1′…dzn′⋅J′,d B' = d x'_1 d y'_1 \ldots d z'_n \cdot J',Configuration integralLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Configuration integral factorExplain this equation wobeidx1dy1…dzn=dx1′dy1′…dzn′.d x_1 d y_1 \ldots d z_n = d x'_1 d y'_1 \ldots d z'_n.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 Es ist also:dBdB′=JJ′.\frac{d B}{d B'} = \frac{J}{J'}.Configuration integralConfiguration integralConfiguration integral factorConfiguration integral factorExplain this equation

English

We call x1,y1,z1x_1, y_1, z_1 the rectangular coordinates of the center of gravity of the first particle, x2,y2,z2x_2, y_2, z_2 those of the second, etc., xn,yn,znx_n, y_n, z_n those of the last particle, and we assign to the centers of gravity of the particles the infinitely small parallelepiped-shaped regions dx1dy1dz1,dx2dy2dz2…dxndyndznd x_1 d y_1 d z_1, d x_2 d y_2 d z_2 \ldots d x_n d y_n d z_n, all of which are to lie in V∗V^*. Let the value be sought of the integral occurring in the expression for FF, 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 dB=dx1dy1…dzn⋅Jd B = d x_1 d y_1 \ldots d z_n \cdot JConfiguration integralLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Configuration integral factorExplain this equation where JJ is independent of dx1dy1d x_1 d y_1 etc., and of V∗V^*, that is, of the position of the semipermeable wall. But JJ is also independent of the particular choice of the positions of the regions for the centers of gravity, and of the value of V∗V^*, 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 dx1′dy1′dz2′,dx2′dy2′dz2′…dxn′dyn′dzn′d x'_1 d y'_1 d z'_2, d x'_2 d y'_2 d z'_2 \ldots d x'_n d y'_n d z'_n, 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 V∗V^*; then, analogously, dB′=dx1′dy1′…dzn′⋅J′,d B' = d x'_1 d y'_1 \ldots d z'_n \cdot J',Configuration integralLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)Latent position (one dimension)Configuration integral factorExplain this equation where dx1dy1…dzn=dx1′dy1′…dzn′.d x_1 d y_1 \ldots d z_n = d x'_1 d y'_1 \ldots d z'_n.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: dBdB′=JJ′.\frac{d B}{d B'} = \frac{J}{J'}.Configuration integralConfiguration integralConfiguration integral factorConfiguration integral factorExplain this equation

Deutsch

[p. 553]Aus der in den zitierten Arbeiten gegebenen molekularen Theorie der Wärme läßt sich aber leicht folgern[1)], daß dB/Bd B/B bez. dB′/Bd B'/B gleich ist der Wahrscheinlichkeit dafür, daß sich in einem beliebig herausgegriffenen Zeitpunkte die Teilchenschwerpunkte in den Gebieten (dx1…dzn)(d x_1 \ldots d z_n) bez. in den Gebieten (dx1′…dzn′)(d x'_1 \ldots d z'_n) 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:dBB=dB′B.\frac{d B}{B} = \frac{d B'}{B}.Configuration integralConfiguration integralExplain this equation Aus dieser und aus der zuletzt gefundenen Gleichung folgt aberJ=J′.J = J'.Configuration 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 dB/Bd B/B (respectively dB′/Bd B'/B) is equal to the probability that at an arbitrarily chosen instant the centers of gravity of the particles lie in the regions (dx1…dzn)(d x_1 \ldots d z_n) (respectively in the regions (dx1′…dzn′)(d x'_1 \ldots d z'_n)). 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: dBB=dB′B.\frac{d B}{B} = \frac{d B'}{B}.Configuration integralConfiguration integralExplain this equation But from this equation and the one found last it follows that J=J′.J = J'.Configuration integral factorConfiguration integral factorExplain this equation

Deutsch

[p. 553]Es ist somit erwiesen, daß JJ weder von V∗V^* noch von x1,y1…znx_1, y_1 \ldots z_n abhängig ist. Durch Integration erhält manB=∫Jdx1…dzn=JV∗nB = \int J d x_1 \ldots d z_n = J V^{*n}Configuration integralConfiguration integral factorLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)VolumeParticle countExplain this equation und darausF=−RTN{lg⁡J+nlg⁡V∗}F = -\frac{R T}{N} \{ \lg J + n \lg V^* \}Free energyGas constantAbsolute temperatureAvogadro's numberConfiguration integral factorParticle countVolumeExplain this equation undp=−∂F∂V∗=RTV∗nN=RTNν.p = -\frac{\partial F}{\partial V^*} = \frac{R T}{V^*} \frac{n}{N} = \frac{R T}{N} \nu.Osmotic pressureFree energyVolumeGas constantAbsolute temperatureParticle countAvogadro's numberNumber densityExplain this equation

English

It is thus proved that JJ depends neither on V∗V^* nor on x1,y1…znx_1, y_1 \ldots z_n. By integration one obtains B=∫Jdx1…dzn=JV∗nB = \int J d x_1 \ldots d z_n = J V^{*n}Configuration integralConfiguration integral factorLatent position (one dimension)Latent position (one dimension)VolumeParticle countExplain this equation and from this F=−RTN{lg⁡J+nlg⁡V∗}F = -\frac{R T}{N} \{ \lg J + n \lg V^* \}Free energyGas constantAbsolute temperatureAvogadro's numberConfiguration integral factorParticle countVolumeExplain this equation and p=−∂F∂V∗=RTV∗nN=RTNν.p = -\frac{\partial F}{\partial V^*} = \frac{R T}{V^*} \frac{n}{N} = \frac{R T}{N} \nu.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.

English

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.

Deutsch

[p. 560]
Bern, Mai 1905.

English

Bern, May 1905.

Deutsch

[p. 560]
(Eingegangen 11. Mai 1905.)

English

(Received 11 May 1905.)

Fußnoten

Deutsch

  1. 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. ↩

English

Deutsch

  1. 1) A. Einstein, Ann. d. Phys. 11. p. 170. 1903. ↩

English