Максвел–Болцманова дистрибуција

Извор: testwiki
Пређи на навигацију Пређи на претрагу

У физици (посебно у статистичкој механици), Максвел-Болцманова расподела је посебна дистрибуција вероватноће названа по Џејмсу Клерку Максвелу и Лудвигу Болцману.

Прво је дефинисана и коришћена за описивање брзина честица у идеалним гасовима, где се честице слободно крећу унутар непокретног контејнера без међусобне интеракције, изузев врло кратких судара у којима међусобно или са својим окружењем размењују енергију и моментум. Термин „честица“ у овом контексту односи се само на гасовите честице ( атоме или молекуле), а претпоставља се да је систем честица достигао термодинамичку равнотежу . [1] Енергије таквих честица прате оно што је познато као Максвел-Болцманова статистика, а статистичка расподела брзина изведена је изједначавањем енергија честица са кинетичком енергијом .

Математички, Максвел-Болцманова расподела је хи дистрибуција са три степена слободе (компоненте вектора брзине у Еуклидовом простору), са параметром скале који мери брзине у јединицама пропорционалним квадратном корену од T/m (однос температуре и масе честица). [2]

Максвел-Болцманова расподела резултат је кинетичке теорије гасова, која пружа поједностављено објашњење многих основних гасних својстава, укључујући притисак и дифузију . [3] Максвел-Болцманова расподела се у основи примењује на брзине честица у три димензије, али се испоставило да зависи само од брзине ( износа брзине) честица. Расподела вероватноће брзине честице указује на то које су брзине вероватније: честица ће имати брзину случајно одабрану из расподеле и већа је вероватноћа да ће бити унутар једног опсега брзина од другог. Кинетичка теорија гасова односи се на класични идеалан гас, који је идеализација стварних гасова. У стварним гасовима постоје различити ефекти (нпр. Ван дер Валсове интеракције, вртложни ток, релативистичка ограничења брзине и интеракције квантне размене ) који могу учинити њихову расподелу брзине другачијом од Максвел-Болцмановог модела. Међутим, разређени гасови на уобичајеним температурама понашају се готово као идеалан гас и Максвелова расподела брзине је одлична апроксимација за такве гасове. Идеалне плазме, које су јонизовани гасови са довољно малом густином, често имају и расподелу честица која је делимично или у потпуности максвеловска. [4]

Дистрибуцију је први извео Максвел 1860. године на хеуристичким основама. [5] Болцман је касније, 1870-их, спровео значајна истраживања физичког порекла ове дистрибуције.

Дистрибуција се може извести на основу тога што максимализује ентропију система. Списак извода су:

  1. Максимална расподела вероватноће ентропије у фазном простору, са ограничењем очувања просечне енергијеH=E ;
  2. Канонски ансамбл .

Функција дистрибуције

Под претпоставком да систем од интереса садржи велики број честица, удео честица унутар бесконачно малог елемента тродимензионалног простора брзине,d3v, центриран на вектор брзине величинеv, јеf(v)d3v, у којима

f(v)d3v=(m2πkT)3/2emv22kTd3v,

где је m маса честица и kT је производ Болцманове константне и термодинамичке температуре .

Функције густине вероватноће брзине брзине неколико племенитих гасова на температури од 298,15 K (25 °C). И оса је С / М, тако да површина под било којим секције криве (која представља вероватноћу брзине бића у том опсегу) је без димензија.

Елемент простора брзине можемо записати као d 3v = dvx dvy dvz, за брзине у стандардном картезијанском координатном систему или као d 3v =v2 дv dΩ у стандардном сферном координатном систему, где dΩ је елемент пуног угла. У овом случају, f(v) је дата као функција расподеле вероватноће, правилно нормализована тако даf(v) d 3v преко свих брзина једнака је један. У физици плазме, расподела вероватноће се често помножи са густином честица, тако да је интеграл резултујуће функције расподеле једнак густини.

Максвелова функција расподеле за честице које се крећу само у једном смеру, ако је овај правац x, је

f(vx)dvx=(m2πkT)1/2emvx22kTdvx,

који се могу добити интегрисањем тродимензионалне форме дане изнад vy иvz .

Препознавши симетрију f(v), може се интегрисати преко пуног угла и написати расподела вероватноће брзина као функција

f(v)dv=(m2πkT)3/24πv2emv22kTdv,

Ова функција густине вероватноће даје вероватноћу, по јединици брзине, налажења честице брзином близу v . Ова једначина је једноставно Максвел-Болцманова расподела (дата у инфо кутији) са параметром расподелеa=kT/m . Максвел-Болцманова расподела еквивалентна је хи дистрибуцији са три степена слободе и параметром скале a=kT/m .

Најједноставнија обична диференцијална једначина коју задовољава расподела је:

kTvf(v)+f(v)(mv22kT)=0,
f(1)=2πem2kT(mkT)3/2

или представљено без јединице:

a2xf(x)+(x22a2)f(x)=0,
f(1)=2πe12a2a3.

Дарвин-Фовлер-овом методом средњих вредности добија се Максвел-Болцманова расподела као тачан резултат.

Однос према 2D Максвел-Болцмановој расподели

Симулација 2D гаса који се релаксира према Максвел-Болцмановој расподели брзине

За честице ограничене да се крећу у равни, расподела брзине је дата са

P(s<|v|<s+ds)=mskTexp(ms22kT)ds

Ова расподела се користи за опис система у равнотежи. Међутим, већина система не започиње у равнотежном стању. Еволуцијом система ка његовом равнотежном стању управља Болцманова једначина . Једначина предвиђа да ће за интеракције кратког домета равнотежна расподела брзине следити Максвел-Болцманову расподелу. Десно је симулација молекуларне динамике (МД) у којој је 900 честица тврде сфере ограничено да се креће у правоугаонику. Они комуницирају помоћу савршено еластичних судара. Систем се покреће из равнотеже, али расподела брзине (у плавој боји) брзо конвергира у 2D Максвел-Болцман расподелу (у наранџастој боји).

Типичне брзине

Максвел-Болцманова расподела која одговара соларној атмосфери. Масе честица су једна протонска маса, m=1 amu=1.67×1024 g , а температура је ефективна температура сунчеве фотосфере, T=5800 K  .V~,V¯, and Vrms означавају највероватније, средње и средње средње квадратне брзине. Њихове вредности суV~9.79 km/s, V¯11.05 km/s,  иVrms12.00 km/s  .

Средња брзина v, највероватнија брзина ( режим) Шаблон:Mvar и средња квадратна брзинаv2 могу се добити из својстава Максвелове расподеле.

Ово добро функционише за готово идеалне, монатомске гасове попут хелијума, али и за молекуларне гасове попут двоатомског кисеоника . То је зато што, упркос већем топлотном капацитету (већој унутрашњој енергији при истој температури) због већег броја степени слободе, њихова транслациона кинетичка енергија (а самим тим и брзина) остаје непромењена. [6]

=(4π(bπ)320v4 ebv2dv)1/2
=(4π(bπ)3238πb5)1/2=(32b)1/2
=3kTm=3RTM=32vp}}-->Укратко, типичне брзине су повезане на следећи начин:
vp88.6% v<v<108.5% vvrms.

Средња квадратна брзина директно је повезана са брзином звука Шаблон:Mvar у гасу, за

c=γ3 vrms=f+23f vrms=f+22f vp,

гдеγ=1+2f је адијабатски индекс, Шаблон:Mvar је број степена слободе појединачног молекула гаса. За горњи пример, двоатомни азот (приближни ваздух) на Шаблон:Val, f=5 [7] и

c=715vrms68% vrms84% vp353 m/s,

права вредност ваздуха се може апроксимализовати коришћењем просечне моларне тежине ваздуха ( Шаблон:Val ), дајући Шаблон:Val на Шаблон:Val (корекције за променљиву влажност ваздуха су реда од 0,1% до 0,6%).

Просечна релативна брзина

vrel|v1v2|=d3v1d3v2|v1v2|f(v1)f(v2)=4πkTm=2v

где је тродимензионална расподела брзине

f(v)1(2πkT/m)3/2e12mv2/kT.

Интеграл се лако може извршити променом на координатеu=v1v2 иU=v1+v22.

Извођење и сродне дистрибуције

Максвел – Болцман статистика

Првобитно извођење из 1860. године Џејмса Клерка Максвела био је аргумент заснован на молекуларним сударима кинетичке теорије гасова као и одређеним симетријама у функцији расподеле брзине; Максвел је такође дао рани аргумент да ови молекуларни судари имају тенденцију ка равнотежи. [5] [8] После Максвела, Лудвиг Болцман је 1872. године [9] такође извео расподелу на механичким основама и тврдио да би гасови временом требало да теже ка тој расподели, услед судара (види Х-теорему ). Касније (1877) [10] је поново извео расподелу у оквиру статистичке термодинамике . Изводи у овом одељку су у складу са Болцмановим извођењем из 1877. године, почев од резултата познатог као Максвел -Болцман статистика (из статистичке термодинамике). Максвел -Болцманова статистика даје просечан број честица пронађених у датом једночестичном микростању. Под одређеним претпоставкама, логаритам фракције честица у датом микростању сразмеран је односу енергије тог стања и температуре система:

log(NiN)EiT.

Претпоставке ове једначине су да честице не интерагују међусобно и да су класичне; то значи да се стање сваке честице може сматрати независно од стања осталих честица. Поред тога, претпоставља се да су честице у топлотној равнотежи. [1] [11]

Ова веза се може написати као једначина увођењем нормализујућег фактора:Шаблон:NumBlkгде:

Деноминатор у једначини ( 1 ) је једноставно нормализујући фактор тако да односиNi:N доприносе јединству- другим речима, то је нека врста партицијске функције (за једнопартицијски систем, а не уобичајена партицијска функција читавог система).

Будући да су брзина и велоцитет повезани са енергијом, једначина ( 1 ) се може користити за добијање односа између температуре и брзине честица гаса. Све што је потребно је открити густину микростања у енергији, која се одређује поделом простора импулса на регионе једнаке величине.

Расподела вектора импулса

За потенцијалну енергију се узима нула, тако да је сва енергија у облику кинетичке енергије. Однос између кинетичке енергије и импулса за масивне нерелативистичке честице јеШаблон:NumBlkгде је п 2 квадрат импулсног вектора p = [ п к,  п и,  п з ]. Стога једначину ( 1 ) можемо преписати као:Шаблон:NumBlkгде је З партицијска функција, која одговара деноминатору у једначини ( 1 ). Овде је m молекулска маса гаса, Т термодинамичка температура и k Болцманова константа . Ова дистрибуцијаNi:N је пропорционалан функцији густине вероватноће f п за проналажење молекула са овим вредностима компоненти импулса, па:Шаблон:NumBlkНормализујућа константа може се одредити препознавањем да вероватноћа молекула има одређени замах мора бити 1. Интегрисањем експоненцијала у ( 4 ) по свим pk,p y и pz добија се фактор од

+exp[px2+py2+pz22mkT]dpx dpy dpz=(π2mkT)3

Тако да је нормализована функција расподеле:

z=reiϕ=x+iy

Сматра се да је расподела производ три независне нормално дистрибуиране променљивеpx, py, иpz, са одступањемmkT . Поред тога, може се видети да ће величина моментума бити распоређена као Максвел-Болцманова расподела, саa=mkT . Максвел-Болцманова расподела за импулс (или једнако за брзине) може се темељније добити помоћу Х-теореме у равнотежи у оквиру кинетичке теорије гасних оквира.

Расподела енергије

Расподела енергије је импозантнаШаблон:NumBlkгдеd3<mi fromhbox="1">p</mi> је бесконачно мали запремински простор импулса фазног простора који одговара енергетском интервалуdE . Користећи сферну симетрију односа дисперзије енергије и импулсаE=|<mi fromhbox="1">p</mi>|2/2m, ово се може изразити уdE на следећи начин :Шаблон:NumBlkКористећи тада ( 8 ) у ( 7 ) и изражавајући све у смислу енергијеE, добијамо

fE(E)dE=1(2πmkT)3/2eE/kT4πm2mEdE=2Eπ(1kT)3/2exp(EkT)dE

z=reiϕ=x+iy

Будући да је енергија пропорционална збиру квадрата три нормално распоређене компоненте импулса, ова расподела енергије може се записати еквивалентно гама расподели, користећи параметар облика,kshape=3/2 и параметар скале,θscale=kT .

Користећи теорему о равнотежи, с обзиром да је енергија равномерно распоређена између сва три степена слободе у равнотежи, такође можемо поделитиfE(E)dE у скуп хи-квадрат дистрибуција, где енергија по степену слободе,ϵ, дистрибуира се као хи-квадрат дистрибуција са једним степеном слободе, [12]

fϵ(ϵ)dϵ=1πϵkTexp[ϵkT]dϵ

У равнотежи, ова расподела ће важити за било који број степени слободе. На пример, ако су честице ригидни масени диполи фиксног диполног момента, имаће три транслациона степена слободе и два додатна ротациона степена слободе. Енергија у сваком степену слободе биће описана према горњој хи-квадрат расподели са једним степеном слободе, а укупна енергија биће распоређена према хи-квадрат дистрибуцији са пет степена слободе. То има импликације у теорији специфичне топлоте гаса.

Максвел-Болцман-ова расподела се такође може добити узимајући у обзир да је гас врста квантног гаса за који се може извршити апроксимација ε >> к Т.

Расподела за вектор брзине

Схватајући да је густина вероватноће брзине f v пропорционална функцији густине вероватноће импулса за

f𝐯d3v=f𝐩(dpdv)3d3v

и користећи p = m v добијамо

f𝐯(vx,vy,vz)=(m2πkT)3/2exp[m(vx2+vy2+vz2)2kT]

што је Максвел-Болцманова расподела брзине. Вероватноћа проналаска честице брзином у бесконачно малом елементу [ dv k,  dv y, dv z ] о брзини v = [ vk, v y,  v z] је
f𝐯(vx,vy,vz)dvxdvydvz.

Као и моментум, и за ову расподелу се види да је производ три независне нормално дистрибуиране променљивеvx, vy, иvz, али са одступањемkTm . Такође се може видети да је Максвел-Болцманова расподела брзине за векторску брзину [v k,  v y,  vz ] је умножак расподеле за сваки од три правца:

f𝐯(vx,vy,vz)=fv(vx)fv(vy)fv(vz)

где је расподела за један правац

fv(vi)=m2πkTexp[mvi22kT].

Свака компонента вектора брзине има нормалну расподелу са средњом вредношћуμvx=μvy=μvz=0 и стандардна девијацијаσvx=σvy=σvz=kTm, тако да вектор има тродимензионалну нормалну расподелу, одређену врсту мултиваријантне нормалне расподеле, са средњом вредностиμ𝐯=𝟎 и коваријанцијаΣ𝐯=(kTm)I, гдеI је3×3 идентитет матрица.

Расподела брзине

Максвел-Болцманова расподела брзине следи непосредно из расподеле вектора брзине, горе. Имајте на уму да је брзина

v=vx2+vy2+vz2

а елемент запремине у сферним координатама

dvxdvydvz=v2sinθdvdθdϕ=v2dvdΩ

гдеϕ иθ су сферни координатни углови вектора брзине. Интеграција функције густине вероватноће брзине преко пуних угловаdΩ даје додатни фактор од4π . Расподела брзине са заменом брзине за збир квадрата векторских компонената:

f(v)=(2π)1/2(mkT)3/2v2exp[mv22kT].

У n -димензионалном простору

У n- димензионалном простору Максвел-Болцманова расподела постаје:

f(v)dnv=(m2πkT)n/2em|v|22kTdnv

Дистрибуција брзине постаје:

f(v)dv=const.×emv22kT×vn1dv

Следећи интегрални резултат је користан:

0+vaemv22kTdv=[2kTm](a+1)/20+exxa2dx12=[2kTm](a+1)/20+exxa2x122dx=[2kTm](a+1)/2Γ(a+12)2

гдеΓ(z) је функција Гама . Овај резултат се може користити за израчунавање тренутака функције расподеле брзине:

v=0+vvn1emv22kTdv0+vn1emv22kTdv=[2kTm]1/2Γ(n+12)Γ(n2)

која је сама средња брзинаvavg=v=[2kTm]1/2Γ(n+12)Γ(n2) .

v2=0+v2vn1emv22kTdv0+vn1emv22kTdv=[2kTm]Γ(n+22)Γ(n2)=[2kTm]n2=nkTm

Извод функције расподеле брзине:

df(v)dv=const.× emv22kT(mvkTvn1+(n1)vn2)=0

Види још

  • Квантна Болцманова једначина
  • Максвел – Болцман статистика
  • Максвел-Јуттнерова расподела
  • Болцманова расподела
  • Болцманов фактор
  • Раилеигх дистрибуција
  • Кинетичка теорија гасова

Референце

Шаблон:Reflist

Додатна литература

  • Физика за научнике и инжењере - са савременом физиком (6. издање), ПА Типлер, Г. Мосца, Фрееман, (2008) Шаблон:ISBN
  • Термодинамика, од концепата до примене (друго издање), А. Схавит, Ц. Гутфингер, ЦРЦ Press (Таилор и Францис Гроуп, САД), (2009) Шаблон:ISBN
  • Хемијска термодинамика, ДЈГ Ивес, Универзитетска хемија, Мацдоналд Тецхницал анд Сциентифиц, (1971) Шаблон:ISBN
  • Елементи статистичке термодинамике (друго издање), ЛК Насх, Принциплес оф Цхемистри, Аддисон-Веслеи, (1974) Шаблон:ISBN
  • Вард, ЦА и Фанг, Г 1999, „Израз за предвиђање флукса испаравања течности: Приступ статистичкој брзини теорије“, Пхисицал Ревиев Е, вол. 59, бр. 1, стр. 429–40.
  • Рахими, П & Вард, ЦА 2005, „Кинетика испаравања: приступ теорији статистичке брзине“, Међународни часопис за термодинамику, вол. 8, бр. 9, стр. 1–14.

Спољашње везе

Шаблон:Нормативна контрола

  1. 1,0 1,1 Statistical Physics (2nd Edition), F. Mandl, Manchester Physics, John Wiley & Sons, (2008) Шаблон:ISBN
  2. University Physics – With Modern Physics (12th Edition), H.D. Young, R.A. Freedman (Original edition), Addison-Wesley (Pearson International), 1st Edition: 1949, 12th Edition: (2008) Шаблон:ISBN
  3. Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), R.G. Lerner, G.L. Trigg, VHC publishers, (1991) Шаблон:ISBN (Verlagsgesellschaft), Шаблон:ISBN (VHC Inc.)
  4. N.A. Krall and A.W. Trivelpiece, Principles of Plasma Physics, San Francisco Press, Inc., 1986, among many other texts on basic plasma physics
  5. 5,0 5,1 See:
  6. Шаблон:Cite book
  7. Nitrogen at room temperature is considered a "rigid" diatomic gas, with two rotational degrees of freedom additional to the three translational ones, and the vibrational degree of freedom not accessible.
  8. Шаблон:Cite journal
  9. Boltzmann, L., "Weitere studien über das Wärmegleichgewicht unter Gasmolekülen." Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien, mathematisch-naturwissenschaftliche Classe, 66, 1872, pp. 275–370.
  10. Boltzmann, L., "Über die Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie und der Wahrscheinlichkeitsrechnung respektive den Sätzen über das Wärmegleichgewicht." Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Classe. Abt. II, 76, 1877, pp. 373–435. Reprinted in Wissenschaftliche Abhandlungen, Vol. II, pp. 164–223, Leipzig: Barth, 1909. Translation available at: -{R|http://crystal.med.upenn.edu/sharp-lab-pdfs/2015SharpMatschinsky_Boltz1877_Entropy17.pdf}- Шаблон:Wayback
  11. McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), C.B. Parker, (1994) Шаблон:ISBN
  12. Шаблон:Cite book, Appendix N, page 434