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 енергије⟨H⟩=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)3/2e−mv22kTd3v,

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 d3v = dvx dvy dvz, за брзине у стандардном картезијанском координатном систему или као d3v =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 да∫f(v) d3v 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)1/2e−mvx22kTdvx,

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)3/24πv2e−mv22kTdv,

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)(mv2−2kT)=0,
f(1)=2πe−m2kT(mkT)3/2

или представљено без јединице:

a2xf′(x)+(x2−2a2)f(x)=0,
f(1)=2πe−12a2a3.

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=1.67×10−24 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,  иVrms≈12.00 km/s  .

Средња брзина ⟨v⟩, највероватнија брзина ( режим) Шаблон:Mvar и средња квадратна брзина⟨v2⟩ 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)32∫0∞v4 e−bv2dv)1/2
=(4π(bπ)3238πb5)1/2=(32b)1/2
=3kTm=3RTM=32vp}}-->Укратко, типичне брзине су повезане на следећи начин:
vp≈88.6% ⟨v⟩<⟨v⟩<108.5% ⟨v⟩≈vrms.

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=715vrms≈68% vrms≈84% vp≈353 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≡⟨|v→1−v→2|⟩=∫d3v1d3v2|v→1−v→2|f(v→1)f(v→2)=4πkTm=2⟨v⟩

где је тродимензионална расподела брзине

f(v→)≡1(2πkT/m)3/2e−12mv→2/kT.

Интеграл се лако може извршити променом на координатеu→=v→1−v→2 иU→=v→1+v→22.

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:NumBlkгдеd3𝐩 је бесконачно мали запремински простор импулса фазног простора који одговара енергетском интервалуdE . Користећи сферну симетрију односа дисперзије енергије и импулсаE=|𝐩|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)3/2e−E/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=v2sin⁡θdvdθdϕ=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/2e−m|v|22kTdnv

Дистрибуција брзине постаје:

f(v)dv=const.×e−mv22kT×vn−1dv

Следећи интегрални резултат је користан:

∫0+∞vae−mv22kTdv=[2kTm](a+1)/2∫0+∞e−xxa2dx12=[2kTm](a+1)/2∫0+∞e−xxa2x−122dx=[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+∞v⋅vn−1e−mv22kTdv∫0+∞vn−1e−mv22kTdv=[2kTm]1/2Γ(n+12)Γ(n2)

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

⟨v2⟩=∫0+∞v2⋅vn−1e−mv22kTdv∫0+∞vn−1e−mv22kTdv=[2kTm]Γ(n+22)Γ(n2)=[2kTm]n2=nkTm

Извод функције расподеле брзине:

df(v)dv=const.× e−mv22kT(−mvkTvn−1+(n−1)vn−2)=0

Види још

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

Референце

Шаблон:Референце

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:Подножје

  1. ↑ 1,0 1,1 Шаблон:Cite book (2nd Edition), F. Mandl, Manchester Physics, John Wiley & Sons, (2008)
  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., Шаблон:Cite journal,
  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