Какие свойства теплового движения молекул газа отражает распределение максвелла
Функция плотности распределения для 106 молекул кислорода при −100, 20, 600 градусах Цельсия
Распределе́ние Ма́ксвелла — общее наименование нескольких распределений вероятности, которые описывают статистическое поведение параметров частиц идеального газа. Вид соответствующей функции плотности вероятности диктуется тем, какая величина: скорость частицы, проекция скорости, модуль скорости, энергия, импульс и т. д. — выступает в качестве непрерывной случайной величины. В ряде случаев распределение Максвелла может быть выражено как дискретное распределение по множеству уровней энергии.
Наиболее значимое распределение Максвелла записывается для модуля скорости частицы в непрерывном случае и имеет плотность:
и
где — формальная переменная, фактор определяется типом частиц и температурой, а множитель подбирается в зависимости от для обеспечения нормировки. Именно это выражение считается максвелловским распределением в математике, хотя для других параметров частиц аналитический вид распределения Максвелла будет иным.
Распределение Максвелла лежит в основе кинетической теории газов, объясняющей многие фундаментальные свойства газов, включая давление и диффузию. С его помощью вычисляются средние и наиболее вероятные скорости и энергии молекул газа. Оно также применимо для описания электронных процессов переноса и других явлений в физике и химии. Распределение Максвелла может быть получено при помощи статистической механики (см. происхождение статсуммы). Данное распределение является реализующимся с наивысшей вероятностью распределением изучаемого параметра.
Сфера применения распределения Максвелла[править | править код]
Требования к описываемой системе, примеры[править | править код]
Вопрос о применимости распределения Максвелла к конкретной системе равносилен вопросу о том, может ли эта система считаться идеальным газом с достаточной точностью. При этом система должна
- состоять из большого числа частиц и находиться в термодинамическом равновесии;
- являться изотропной;
- являться классической, то есть релятивистские и квантовые эффекты должны быть малы;
- быть столкновительно-доминируемой (взаимодействие частиц допускается лишь в случае, когда оно зависит только от относительного положения частиц, в частности, допускаются абсолютно упругие соударения).
Такой набор требований удовлетворяется в первую очередь в газах, например в воздухе, при обычных условиях. Распределение Максвелла применимо к множеству свойств индивидуальных молекул в газе. В первую очередь о нём обычно думают, как о распределении энергий молекул в газе, но оно может применяться к распределению скоростей и других параметров молекул. Чаще всего оно является непрерывным распределением по континууму изменения случайного параметра.
Во многих случаях, однако, условие доминирования упругих соударений над всеми другими процессами не выполняется даже приблизительно. Так, в физике ионосферы и космической плазмы, большое значение имеют процессы рекомбинации и столкновительного возбуждения (то есть излучательные процессы), в особенности для электронов. Использование распределения Максвелла в этом случае не только дало бы количественно неверные результаты, но и привело бы к качественно неправильной интерпретации соответствующих процессов.
Условия классического рассмотрения[править | править код]
В случаях, где квантовая дебройлева длина волны частиц газа не является малой по сравнению с расстоянием между частицами, наблюдаются отклонения от распределения Максвелла из-за квантовых эффектов. Поэтому важен вопрос о границах применимости классического рассмотрения.
Соотношение неопределённостей (нередко упрощённо записываемое в форме где — неопределённости координаты и -проекции импульса, — постоянная Планка) имеет трёхмерный аналог вида где обозначает характерный линейный размер зоны локализации частицы. Чтобы неопределённости в координате и импульсе не играли роли и могла применяться классическая, а не квантовая механика, должно выполняться соотношение:
где — объём, на который в среднем приходится одна частица, равный обратной концентрации частиц газа. Если возвести обе части в квадрат, получится:
Учитывая, что и беря в качестве характерного значения энергии величину придём к:
( — температура вырождения, а — масса частицы).
При температурах ниже распределение Максвелла неприменимо.
Распределение Максвелла по состояниям[править | править код]
Распределение Максвелла можно записать как дискретное распределение по множеству состояний молекулы, нумеруемых символом :
.
Через и обозначены энергия молекулы в -м состоянии и число таких молекул, — температура системы, — общее число молекул в системе и — постоянная Больцмана. (Бывает, что вышеупомянутое уравнение записывается с множителем , обозначающим степень вырождения энергетических уровней. В этом случае нумерует не состояния, а энергии и сумма будет по энергиям, а не по состояниям). Поскольку скорость связана с энергией, последнее уравнение может использоваться для получения связи между температурой и скоростями молекул в газе. Знаменатель известен как каноническая статистическая сумма.
Разновидности непрерывного распределения Максвелла[править | править код]
Представленный в этом разделе вывод распределений Максвелла, естественный для современной учебно-методической литературы, сильно отличается от вывода, предложенного самим Джеймсом Клерком Максвеллом и позже описанного с меньшим количеством предположений Людвигом Больцманом. Исторический вывод будет приведён в конце статьи.
Распределение по вектору импульса[править | править код]
В случае идеального газа из невзаимодействующих молекул вся энергия находится в форме кинетической энергии. Кинетическая энергия соотносится с импульсом частицы как:
,
где — квадрат вектора импульса , и уравнение (1) можно переписать как:
,
где — статсумма, соответствующая знаменателю в уравнении (1), — масса молекулы.
Если уровни энергии расположены достаточно густо, факт дискретности становится непринципиальным и можно считать, что энергии распределены непрерывно. Тогда отношение пропорционально функции плотности вероятности нахождения молекулы в состоянии с этими значениями компонент импульса. Таким образом:
.
Постоянная нормировки определяется из условия, в соответствии с которым вероятность того, что молекулы имеют какой-либо вообще импульс, должна быть равна единице. Поэтому интеграл уравнения (4) по всем значениям и должен быть равен единице. Можно показать, что:
.
Таким образом, чтобы интеграл в уравнении (4) имел значение 1 необходимо, чтобы
.
Подставляя выражение (6) в уравнение (4) и используя тот факт, что , мы получим:
.
Распределение по вектору скорости[править | править код]
Учитывая, что плотность распределения по скоростям пропорциональна плотности распределения по импульсам:
и используя мы получим:
,
что является распределением Максвелла по скоростям. Вероятность обнаружения частицы в бесконечно малом элементе около скорости равна:
Распределение по модулю импульса[править | править код]
Интегрируя, мы можем найти распределение по абсолютной величине импульса:
Распределение по энергии[править | править код]
Наконец, используя соотношения и , мы получаем распределение по кинетической энергии:
Распределение по проекции скорости[править | править код]
Распределение Максвелла для вектора скорости — является произведением распределений для каждого из трех направлений:
где распределение по одному направлению:
Это распределение имеет форму нормального распределения. Как и следует ожидать для покоящегося газа, средняя скорость в любом направлении равна нулю.
Распределение по модулю скорости[править | править код]
Обычно, более интересно распределение по абсолютному значению, а не по проекциям скоростей молекул. Модуль скорости, определяется как:
поэтому модуль скорости всегда будет больше или равен нулю. Так как все распределены нормально, то будет иметь хи-квадрат распределение с тремя степенями свободы. Если — функция плотности вероятности для модуля скорости, то:
,
где
таким образом, функция плотности вероятности для модуля скорости равна:
Вид функции соответствует приведённому в преамбуле с тем отличием, что там используется формальная переменная ради большей математической общности.
Характерные скорости молекул идеального газа[править | править код]
Уравнение (11) дает распределение скоростей, или, другими словами, долю молекул, имеющих специфическую скорость. Но часто более интересны другие величины. Ниже будут определены наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорости.
Наиболее вероятная скорость[править | править код]
Наиболее вероятная скорость, , — скорость, вероятность обладания которой любой молекулой системы максимальна и которая соответствует максимальному значению плотности вероятности распределения (а значит, соответствует моде этого распределения). Чтобы найти её, необходимо вычислить , приравнять нулю и решить относительно :
где — масса рассматриваемой частицы, — молярная масса.
Средняя арифметическая скорость[править | править код]
Подставляя и интегрируя, мы получим:
Среднеквадратичная скорость[править | править код]
Подставляя и интегрируя, мы получим:
Исторический вывод распределения Максвелла[править | править код]
Получим теперь формулу распределения так, как это делал сам Максвелл[1][2].
Рассмотрим пространство скоростных точек (каждую скорость молекулы представляем как точку (скоростную точку) в системе координат в стационарном состоянии газа. Выберем бесконечно малый элемент объёма . Так как газ стационарный, количество скоростных точек в остается неизменным с течением времени. Пространство скоростей изотропно, поэтому функции плотности вероятности для всех направлений одинаковы.
Максвелл предположил, что распределения скоростей по направлениям статистически независимы, то есть компонента скорости молекулы не зависит от – и – компонент.
— фактически вероятность нахождения скоростной точки в объёме .
Правая часть не зависит от и , значит и левая от и не зависит. Однако и равноправны, следовательно левая часть не зависит также и от . Значит данное выражение может лишь равняться некоторой константе.
Теперь нужно сделать принципиальный шаг — ввести температуру. Кинетическое определение температуры (как меры средней кинетической энергии движения молекул):
где Дж/К — постоянная Больцмана.
Ввиду равноправия всех направлений:
Чтобы найти среднее значение , проинтегрируем её вместе с функцией плотности вероятности от минус до плюс бесконечности:
Отсюда найдём :
Функция распределения плотности вероятности для (для и аналогично):
Теперь рассмотрим распределение по величине скорости. Вернемся в пространство скоростных точек. Все точки с модулем скорости лежат в шаровом слое радиуса и толщины , и — объём этого шарового слоя.
Таким образом, мы получили функцию плотности вероятности , являющуюся распределением Максвелла.
См. также[править | править код]
- Статистика Бозе — Эйнштейна
- Статистика Ферми — Дирака
- Статистика Максвелла — Больцмана
- Опыт Ламмерта
- Опыт Штерна
- Распределение Гиббса
- Распределение Бозе — Эйнштейна
- Распределение Ферми — Дирака
Примечания[править | править код]
Ссылки[править | править код]
https://www.falstad.com/gas/
Источник
Пусть имеется n тождественных молекул, находящихся в состоянии беспорядочного теплового движения при определенной температуре. После каждого акта столкновения между молекулами, их скорости меняются случайным образом. В результате невообразимо большого числа столкновений устанавливается стационарное равновесное состояние, когда число молекул в заданном интервале скоростей сохраняется постоянным.
В результате каждого столкновения проекции скорости молекулы испытывают случайное изменение на Δυx, Δυy, Δυz, причем изменения каждой проекции скорости независимы друг от друга. Будем предполагать, что силовые поля на частицы не действуют. Найдем в этих условиях, каково число частиц dn из общего числа n имеет скорость в интервале от υ до υ+Δυ. При этом мы не можем ничего определенного сказать о точном значении скорости той или иной частицы υi, поскольку за столкновениями и движениями каждой из молекул невозможно проследить ни в опыте, ни в теории. Такая детальная информация вряд ли имела бы практическую ценность.
Распределение молекул идеального газа по скоростям впервые было получено знаменитым английским ученым Дж. Максвеллом в 1860 году с помощью методов теории вероятностей.
 | Максвелл Джеймс Клерк (1831 – 1879) – английский физик. Работы посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статике, оптике, механике, теории упругости. Установил статистический закон, описывающий распределение молекул газа по скоростям. Самым большим достижением Максвелла является теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы нескольких уравнений, выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений. |
Вывод формулы функции распределения молекул по скоростям есть в учебнике Ю.И Тюрина и др. (ч. 1) или И.В. Савельева (т. 1). Мы воспользуемся результатами этого вывода.
Скорость – векторная величина. Для проекции скорости на ось х (x-й составляющей скорости) из (2.2.1) имеем
тогда
| (2.3.1) |
где А1 – постоянная, равная
Графическое изображение функции показано на рисунке 2.2. Видно, что доля молекул со скоростью не равна нулю. При , (в этом физический смысл постоянной А1).
Рис. 2.2
Приведённое выражение и график справедливы для распределения молекул газа по x-компонентам скорости. Очевидно, что и по y– и z-компонентам скорости также можно получить:
Вероятность того, что скорость молекулы одновременно удовлетворяет трём условиям: x-компонента скорости лежит в интервале от υх до υх+dυх; y-компонента, в интервале от υy до υy+dυy; z-компонента, в интервале от υz до υz+dυz будет равна произведению вероятностей каждого из условий (событий) в отдельности:
где , или
| (2.3.2) |
Формуле (2.3.2) можно дать геометрическое истолкование: dnxyz – это число молекул в параллелепипеде со сторонами dυx, dυy, dυz, то есть в объёме dV=dυxdυydυz(рис. 2.3), находящемся на расстоянии от начала координат в пространстве скоростей.
Эта величина (dnxyz) не может зависеть от направления вектора скорости . Поэтому надо получить функцию распределения молекул по скоростям независимо от их направления, то есть по абсолютному значению скорости.
Если собрать вместе все молекулы в единице объёма, скорости которых заключены в интервале от υ до υ+dυ по всем направлениям, и выпустить их, то они окажутся через одну секунду в шаровом слое толщиной dυ и радиусом υ (рис. 2.4). Этот шаровой слой складывается из тех параллелепипедов, о которых говорилось выше.
 | |||
| Рис. 2.3 | Рис. 2.4 | ||
Объём этого шарового слоя
Общее число молекул в слое, как следует из (2.3.2)
Отсюда следует закон распределения молекул по абсолютным значениям скоростей Максвелла:
| (2.3.3) |
где – доля всех частиц в шаровом слое объема dV, скорости которых лежат в интервале от υ до υ+dυ.
При dυ = 1 получаем плотность вероятности, или функцию распределения молекул по скоростям:
| (2.3.4) |
Эта функция обозначает долю молекул единичного объёма газа, абсолютные скорости которых заключены в единичном интервале скоростей, включающем данную скорость.
Обозначим: тогда из (2.3.4) получим:
| (2.3.5) |
График этой функции показан на рисунке 2.5.
Рис. 2.5
Выводы:
- Вид распределения молекул газа по скоростям для каждого газа зависит от рода газа (m) и от параметра состояния (Т). Давление P и объём газа V на распределение молекул не влияют.
- В показателе степени стоит отношение , т.е. кинетической энергии, соответствующей данной скорости υ к (kТ) – средней энергии теплового движения молекул при данной температуре, значит распределение Максвелла характеризует распределение молекул по значениям кинетической энергии (то есть показывает, какова вероятность при данной температуре иметь именно такое значение кинетической энергии).
Рассмотрим пределы применимости классического описания распределения частиц по скоростям. Для этого воспользуемся соотношением неопределенностей Гейзенберга. Согласно этому соотношению координаты и импульс частицы не могут одновременно иметь определенное значение. Классическое описание возможно, если выполнены условия:
Здесь – постоянная Планка – фундаментальная константа, определяющая масштаб квантовых (микроскопических) процессов.
Таким образом, если частица находится в объеме , то в этом случае возможно описание ее движения на основе законов классической механики.
Наиболее вероятная, среднеквадратичная
и средняя арифметическая скорости молекул газа
Рассмотрим, как изменяется с абсолютной величиной скорости число частиц, приходящихся на единичный интервал скоростей, при единичной концентрации частиц.
График функции распределения Максвелла
| , |
приведен на рисунке 2.6.
Рис. 2.6
Из графика видно, что при «малых» υ, т.е. при , имеем ; затем достигает максимума А и далее экспоненциально спадает .
Величину скорости, на которую приходится максимум зависимости , называют наиболее вероятной скоростью.
Найдем эту скорость из условия равенства производной .
| , | (2.3.6) |
– наиболее вероятная скорость одной молекулы.
Для одного моля газа:
| . | (2.3.7) |
Среднюю квадратичную скорость найдем, используя соотношение :
| . | – для одной молекулы; | (2.3.8) |
| . | – для одного моля газа. | (2.3.9) |
Средняя арифметическая скорость:
| . | . |
где – число молекул со скоростью от υ до υ+dυ. Если подставить сюда f(υ) и вычислить, то получим:
| . | – для одной молекулы; | (2.3.10) |
| . | – для одного моля газа. | (2.3.11) |
Все три скорости незначительно отличаются друг от друга множителем порядка единицы, причем
Формула Максвелла для относительных скоростей
Для решения многих задач удобно использовать формулу Максвелла, где скорость выражена в относительных единицах.
Относительную скорость обозначим через u:
| (2.3.12) |
где . Тогда из (2.3.3), получим
| . | (2.3.13) |
Это уравнение универсальное. В таком виде функция распределения не зависит ни от рода газа, ни от температуры.
На рисунке 2.7 показано максвелловское распределение частиц f(υ), имеющих скорости от υ до υ+dυ. За единицу скорости здесь взята наиболее вероятная скорость.
Полезно знать, что .
Рис. 2.7
Зависимость функции распределения Максвелла от массы молекул и температуры газа
На рисунке 2.8 показана зависимость f(υ) при различных температурах и массах молекул газа.
Рис. 2.8
Из рисунка 2.8 можно проследить за изменением f(υ) при изменении m и T. В данном случае (при T = const ) или (при m = const). Площадь под кривой величина постоянная, равная единице (), поэтому важно знать как будет изменяться положение максимума кривой:
Максвелловский закон распределения по скоростям и все вытекающие следствия справедливы только для газа в равновесной системе. Закон статистический, и выполняется тем лучше, чем больше число молекул.
Источник