В физике (в частности, в статистической механике ) распределение Максвелла – Больцмана - это частное распределение вероятностей, названное в честь Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана .
Функция плотности вероятности | |||
Кумулятивная функция распределения | |||
Параметры | |||
---|---|---|---|
Служба поддержки | |||
CDF | где erf - функция ошибок | ||
Иметь в виду | |||
Режим | |||
Дисперсия | |||
Асимметрия | |||
Бывший. эксцесс | |||
Энтропия |
Впервые он был определен и использовался для описания скоростей частиц в идеализированных газах , где частицы свободно перемещаются внутри стационарного контейнера, не взаимодействуя друг с другом, за исключением очень коротких столкновений, в которых они обмениваются энергией и импульсом друг с другом или со своей тепловой средой. Термин «частица» в этом контексте относится только к газообразным частицам ( атомам или молекулам ), и предполагается, что система частиц достигла термодинамического равновесия . [1] Энергии таких частиц следуют так называемой статистике Максвелла – Больцмана , а статистическое распределение скоростей получается путем приравнивания энергии частиц к кинетической энергии .
Математически распределение Максвелла – Больцмана представляет собой распределение хи с тремя степенями свободы (компоненты вектора скорости в евклидовом пространстве ) с параметром масштаба, измеряющим скорость в единицах, пропорциональных квадратному корню из(соотношение температуры и массы частицы). [2]
Распределение Максвелла – Больцмана является результатом кинетической теории газов , которая обеспечивает упрощенное объяснение многих фундаментальных свойств газа , включая давление и диффузию . [3] Распределение Максвелла – Больцмана в основном применяется к скоростям частиц в трех измерениях, но оказывается, что оно зависит только от скорости ( величины скорости) частиц. Распределение вероятности скорости частицы указывает, какие скорости более вероятны: частица будет иметь скорость, выбранную случайным образом из распределения, и с большей вероятностью будет находиться в одном диапазоне скоростей, чем в другом. Кинетическая теория газов применима к классическому идеальному газу , который представляет собой идеализацию реальных газов. В реальных газах существуют различные эффекты (например, ван-дер-ваальсовы взаимодействия , вихревой поток, релятивистские ограничения скорости и квантовые обменные взаимодействия ), которые могут сделать их распределение по скоростям отличным от формы Максвелла – Больцмана. Однако разреженные газы при обычных температурах ведут себя почти как идеальный газ, и распределение Максвелла по скоростям является отличным приближением для таких газов. Идеальная плазма , которая представляет собой ионизированный газ достаточно низкой плотности, часто также имеет распределение частиц, частично или полностью максвелловское. [4]
Распределение было впервые получено Максвеллом в 1860 году на эвристических основаниях. [5] Позже, в 1870-х годах, Больцман провел значительные исследования физических причин этого распределения.
Распределение может быть получено на том основании, что оно максимизирует энтропию системы. Список производных:
- Распределение вероятностей максимальной энтропии в фазовом пространстве с ограничением сохранения средней энергии ;
- Канонический ансамбль .
Функция распределения
Предполагая, что интересующая система содержит большое количество частиц, доля частиц в бесконечно малом элементе трехмерного пространства скоростей, с центром на векторе скорости величины , является , в котором
где - масса частицы, - постоянная Больцмана , а термодинамическая температура .
Элемент пространства скоростей можно записать как d = ddd, для скоростей в стандартной декартовой системе координат или как d знак равно dd в стандартной сферической системе координат, где dявляется элементом телесного угла. Здесь задается как функция распределения вероятностей, должным образом нормированная так, чтобы dпо всем скоростям равен единице. В физике плазмы распределение вероятностей часто умножается на плотность частиц, так что интеграл полученной функции распределения равен плотности.
Функция распределения Максвелла для частиц, движущихся только в одном направлении, если это направление , является
которое может быть получено интегрированием трехмерной формы, приведенной выше, по а также .
Признавая симметрию , можно проинтегрировать по телесному углу и записать вероятностное распределение скоростей в виде функции [6]
Эта функция плотности вероятности дает вероятность на единицу скорости найти частицу со скоростью, близкой к. Это уравнение представляет собой просто распределение Максвелла – Больцмана (указанное в информационном окне) с параметром распределения. Распределение Максвелла – Больцмана эквивалентно распределению хи с тремя степенями свободы и масштабным параметром .
Самое простое обыкновенное дифференциальное уравнение, которому удовлетворяет распределение:
или в безразмерном представлении:
С помощью метода средних значений Дарвина – Фаулера распределение Максвелла – Больцмана получается как точный результат.
Связь с двумерным распределением Максвелла – Больцмана.
Для частиц, ограниченных движением в плоскости, распределение скоростей дается выражением
Это распределение используется для описания равновесных систем. Однако большинство систем не запускаются в равновесном состоянии. Эволюция системы к состоянию равновесия регулируется уравнением Больцмана . Уравнение предсказывает, что для короткодействующих взаимодействий равновесное распределение скоростей будет следовать распределению Максвелла – Больцмана. Справа находится модель молекулярной динамики (МД), в которой 900 твердых сферических частиц вынуждены двигаться по прямоугольнику. Они взаимодействуют посредством совершенно упругих столкновений . Система инициализируется из состояния равновесия, но распределение скоростей (выделено синим цветом) быстро сходится к двумерному распределению Максвелла – Больцмана (выделено оранжевым цветом).
Типичные скорости
Средняя скорость, наиболее вероятная скорость ( режим ) v p и среднеквадратичная скорость можно получить из свойств распределения Максвелла.
Это хорошо работает для почти идеальных , одноатомных газов , таких как гелий , но также и для молекулярных газов , таких как двухатомный кислород . Это потому, что, несмотря на большую теплоемкость (большую внутреннюю энергию при той же температуре) из-за большего количества степеней свободы , их поступательная кинетическая энергия (и, следовательно, их скорость) не изменяется. [7]
- Наиболее вероятная скорость, v р , является скоростью , скорее всего, обладать любой молекулой (такими же массами м ) в системе и соответствует значению максимального или режим из F (V) . Чтобы найти его, мы вычисляем производную df / dv , устанавливаем ее равной нулю и решаем относительно v :
с решением:
R является газовая постоянная , а М представляет молярная масса вещества, и , таким образом , может быть вычислена как произведение массы частицы, м , и постоянной Авогадро , N :
Для двухатомного азота (N 2 , основной компонент воздуха ) [8] при комнатной температуре (300 К ), это дает
- Средняя скорость - это ожидаемое значение распределения скорости, задавая:
- Средняя квадратичная скорость - необработанный момент второго порядка распределения скорости. «Среднеквадратичная скорость»- квадратный корень из среднеквадратичной скорости, соответствующей скорости частицы со средней кинетической энергией , полагая:
Таким образом, типичные скорости связаны следующим образом:
Среднеквадратичная скорость напрямую связана со скоростью звука c в газе следующим образом:
где - показатель адиабаты , f - число степеней свободы отдельной молекулы газа. В приведенном выше примере двухатомный азот (приблизительно воздух ) при300 К ,[9] и
истинное значение для воздуха можно приблизительно определить, используя среднюю молярную массу воздуха (29 г / моль ), давая347 м / с при300 K (поправки на переменную влажность составляют от 0,1% до 0,6%).
Средняя относительная скорость
где трехмерное распределение скорости
Интеграл легко сделать, перейдя в координаты а также
Статистика Максвелла – Больцмана
Первоначальный вывод, сделанный в 1860 году Джеймсом Клерком Максвеллом, был аргументом, основанным на молекулярных столкновениях кинетической теории газов, а также на определенных симметриях функции распределения по скоростям; Максвелл также дал ранний аргумент, что эти молекулярные столкновения влекут за собой тенденцию к равновесию. [5] [10] После Максвелла Людвиг Больцман в 1872 г. [11] также вывел распределение на основании механических оснований и утверждал, что газы должны со временем стремиться к этому распределению из-за столкновений (см. H-теорему ). Позже (1877 г.) [12] он снова вывел это распределение в рамках статистической термодинамики . Выводы в этом разделе соответствуют выводам Больцмана 1877 года, начиная с результата, известного как статистика Максвелла – Больцмана (из статистической термодинамики). Статистика Максвелла – Больцмана дает среднее количество частиц, обнаруженных в данном одночастичном микросостоянии . При определенных предположениях логарифм доли частиц в данном микросостоянии пропорционален отношению энергии этого состояния к температуре системы:
Предположения этого уравнения таковы, что частицы не взаимодействуют, и что они классические; это означает, что состояние каждой частицы можно рассматривать независимо от состояний других частиц. Кроме того, предполагается, что частицы находятся в тепловом равновесии. [1] [13]
Это соотношение можно записать в виде уравнения, введя нормирующий множитель:
( 1 )
где:
- N i - ожидаемое количество частиц в одночастичном микросостоянии i ,
- N - общее количество частиц в системе,
- E i - энергия микросостояния i ,
- сумма по индексу j учитывает все микросостояния,
- T - равновесная температура системы,
- k - постоянная Больцмана .
Знаменатель в уравнении ( 1 ) - это просто нормализующий коэффициент, так что отношениясложить до единицы - другими словами, это своего рода статистическая сумма (для одночастичной системы, а не обычная статистическая сумма всей системы).
Поскольку скорость и скорость связаны с энергией, уравнение ( 1 ) можно использовать для получения взаимосвязи между температурой и скоростями частиц газа. Все, что нужно, - это обнаружить плотность микросостояний по энергии, которая определяется разделением импульсного пространства на области равного размера.
Распределение вектора импульса
Потенциальная энергия принимается равной нулю, так что вся энергия находится в форме кинетической энергии. Связь между кинетической энергией и импульсом массивных нерелятивистских частиц имеет вид
( 2 )
где p 2 - квадрат вектора импульса p = [ p x , p y , p z ]. Поэтому мы можем переписать уравнение ( 1 ) как:
( 3 )
где Z - статистическая сумма , соответствующая знаменателю в уравнении ( 1 ). Здесь m - молекулярная масса газа, T - термодинамическая температура, k - постоянная Больцмана . Это распределениеэто пропорционально к плотности вероятности функции ф р для нахождения молекулы с этими значениями компонентов импульса, так что :
( 4 )
Константа нормализующее может быть определена путем признания того, что вероятность того , что молекулы , имеющей некоторый импульс должен быть равен 1. Интегрирование экспоненту в ( 4 ) по всем р х , р у и р г дает фактор
Итак, нормализованная функция распределения:
( 6 )
Распределение представляет собой произведение трех независимых нормально распределенных переменных., , а также , с отклонением . Кроме того, можно видеть, что величина импульса будет распределена как распределение Максвелла – Больцмана с. Распределение Максвелла – Больцмана для импульса (или, в равной степени, для скоростей) может быть получено более фундаментально, используя H-теорему в состоянии равновесия в рамках кинетической теории газов .
Распределение энергии
Распределение энергии оказалось впечатляющим.
( 7 )
где - бесконечно малый фазовый объем импульсов, соответствующий интервалу энергий . Используя сферическую симметрию закона дисперсии энергии-импульса, это можно выразить через в виде
( 8 )
Используя тогда ( 8 ) в ( 7 ) и выражая все через энергию, мы получили
и наконец
( 9 )
Поскольку энергия пропорциональна сумме квадратов трех нормально распределенных компонент импульса, это распределение энергии можно эквивалентно записать как гамма-распределение , используя параметр формы, и масштабный параметр, .
Используя теорему о равнораспределении , учитывая, что энергия равномерно распределена между всеми тремя степенями свободы в равновесии, мы также можем разделитьв набор распределений хи-квадрат , где энергия на степень свободы,, распределяется как распределение хи-квадрат с одной степенью свободы, [14]
В состоянии равновесия это распределение будет справедливым для любого числа степеней свободы. Например, если частицы являются твердыми массовыми диполями с фиксированным дипольным моментом, они будут иметь три поступательные степени свободы и две дополнительные вращательные степени свободы. Энергия в каждой степени свободы будет описана в соответствии с вышеупомянутым распределением хи-квадрат с одной степенью свободы, а полная энергия будет распределена в соответствии с распределением хи-квадрат с пятью степенями свободы. Это имеет значение в теории теплоемкости газа.
Распределение Максвелла-Больцмана также можно получить, рассматривая газ быть тип квантового газа , для которых приближение ε >> кТ может быть сделано.
Распределение вектора скорости
Признавая, что плотность вероятности скорости f v пропорциональна функции плотности вероятности импульса по формуле
и используя p = m v, получаем
что является распределением скоростей Максвелла – Больцмана. Вероятность найти частицу со скоростью в бесконечно малом элементе [ dv x , dv y , dv z ] около скорости v = [ v x , v y , v z ] равна
Как и импульс, это распределение является продуктом трех независимых нормально распределенных переменных., , а также , но с вариацией . Также можно видеть, что распределение Максвелла – Больцмана для векторной скорости [ v x , v y , v z ] является произведением распределений для каждого из трех направлений:
где распределение для одного направления равно
Каждая компонента вектора скорости имеет нормальное распределение со средним значением и стандартное отклонение , поэтому вектор имеет трехмерное нормальное распределение, особый вид многомерного нормального распределения со средним и ковариация , где это единичная матрица.
Раздача по скорости
Распределение Максвелла – Больцмана для скорости непосредственно следует из распределения вектора скорости, приведенного выше. Обратите внимание, что скорость
и элемент объема в сферических координатах
где а также - сферические координатные углы вектора скорости. Интегрирование функции плотности вероятности скорости по телесным углам дает дополнительный коэффициент . Распределение скорости с заменой скорости на сумму квадратов компонент вектора:
В n -мерном пространстве
В n -мерном пространстве распределение Максвелла – Больцмана принимает вид:
Распределение скорости становится:
Полезен следующий интегральный результат:
где - гамма-функция . Этот результат можно использовать для вычисления моментов функции распределения скорости:
что и есть средняя скорость.
что дает среднеквадратичную скорость .
Производная функции распределения скорости:
Это дает наиболее вероятную скорость ( режим ).
Смотрите также
- Квантовое уравнение Больцмана
- Статистика Максвелла – Больцмана
- Распределение Максвелла – Юттнера
- Распределение Больцмана
- Фактор Больцмана
- Распределение Рэлея
- Кинетическая теория газов
Рекомендации
- ^ a b Статистическая физика (2-е издание), Ф. Мандл, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 9780471915331
- ^ Университетская физика - с современной физикой (12-е издание), HD Young, Р. А. Фридман (оригинальное издание), Эддисон-Уэсли (Pearson International), 1-е издание: 1949 г., 12-е издание: 2008 г., ISBN 978-0-321-50130-1
- Перейти ↑ Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), RG Lerner , GL Trigg, VHC publishers, 1991, ISBN 3-527-26954-1 (Verlagsgesellschaft), ISBN 0-89573-752-3 ( VHC Inc.)
- ^ Н. А. Кролл и AW Трайвелпис, Основы физики плазмы, СанФранциско Press, Inc., 1986, среди многих других текстов по фундаментальной физике плазмы
- ^ a b См .:
- Максвелл, Дж. К. (1860 A): Иллюстрации к динамической теории газов. Часть I. О движении и столкновении идеально упругих сфер. Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал , 4-я серия, том 19, стр.19-32. [1]
- Максвелл, Дж. К. (1860 г. B): иллюстрации к динамической теории газов. Часть II. О процессе диффузии двух или более видов движущихся частиц между собой. Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал , 4-й выпуск, том 20, стр. 21–37. [2]
- ^ HJW Müller-Kirsten (2013), Основы статистической физики , 2-е изд., World Scientific , ISBN 978-981-4449-53-3 , Глава 2.
- ^ Раймонд А. Сервей; Джерри С. Фаун и Крис Вуйль (2011). Физика колледжа, Том 1 (9-е изд.). п. 352. ISBN. 9780840068484.
- ^ На расчет не влияет двухатомный азот. Несмотря на большую теплоемкость (большую внутреннюю энергию при той же температуре) двухатомных газов по сравнению с одноатомными газами из-за их большего числа степеней свободы ,по-прежнему является средней поступательной кинетической энергией . Двухатомный азот влияет только на значение молярной массы M =28 г / моль . См., Например, К. Пракашан, Engineering Physics (2001), 2.278 .
- ^ Азот при комнатной температуре считается «жестким» двухатомным газом с двумя дополнительными к трем поступательным степеням свободы вращательными степенями свободы и недоступной колебательной степенью свободы.
- ^ Генис, Балаж (2017). «Максвелл и нормальное распределение: цветная история о вероятности, независимости и стремлении к равновесию». Исследования по истории и философии современной физики . 57 : 53–65. arXiv : 1702.01411 . Bibcode : 2017SHPMP..57 ... 53G . DOI : 10.1016 / j.shpsb.2017.01.001 .
- ^ Больцманн, Л., "Weitere studien über das Wärmegleichgewicht unter Gasmolekülen". Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften в Вене, Mathematisch-naturwissenschaftliche Classe , 66 , 1872, стр. 275–370.
- ↑ Boltzmann, L., "Uber die Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatz der Mechanischen Wärmetheorie und der Wahrscheinlichkeitsrechnung respektive den Sätzen über das Wärmegleichgewicht." Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften в Вене, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Classe . Abt. II, 76 , 1877, стр. 373–435. Перепечатано в Wissenschaftliche Abhandlungen , Vol. II, стр. 164–223, Лейпциг: Барт, 1909. Перевод доступен по адресу : http://crystal.med.upenn.edu/sharp-lab-pdfs/2015SharpMatschinsky_Boltz1877_Entropy17.pdf
- ^ McGraw Hill Encyclopaedia физики (второе издание), CB Parker, 1994, ISBN 0-07-051400-3
- ^ Лорендо, Норманд М. (2005). Статистическая термодинамика: основы и приложения . Издательство Кембриджского университета. п. 434. ISBN 0-521-84635-8., Приложение N, стр. 434
дальнейшее чтение
- Физика для ученых и инженеров - с современной физикой (6-е издание), П.А. Типлер, Г. Моска, Фриман, 2008 г., ISBN 0-7167-8964-7
- Термодинамика, от концепций к приложениям (2-е издание), А. Шавит, К. Гутфингер, CRC Press (Taylor and Francis Group, США), 2009, ISBN 978-1-4200-7368-3
- Химическая термодинамика, DJG Ives, University Chemistry, Macdonald Technical and Scientific, 1971, ISBN 0-356-03736-3
- Элементы статистической термодинамики (2-е издание), LK Nash, Principles of Chemistry, Addison-Wesley, 1974, ISBN 0-201-05229-6
- Уорд, Калифорния, и Фанг, Г. 1999, «Выражение для прогнозирования потока испарения жидкости: подход статистической теории скорости», Physical Review E, vol. 59, нет. 1. С. 429–40.
- Рахими, П и Уорд, Калифорния, 2005 г., «Кинетика испарения: подход к статистической теории скорости», Международный журнал термодинамики, т. 8, вып. 9. С. 1–14.
Внешние ссылки
- "Распределение скорости Максвелла" из демонстрационного проекта Wolfram в Mathworld