18988

Распределение Максвелла

Лекция

Физика

Лекция I 1. Распределение Максвелла. Статистическая физика изучает свойства макроскопических тел т.е. систем состоящих из огромного числа частиц. Например для аудитории с размерами учитывая что каждый моль воздуха занимает объем 224 л и содержит число Авогадро мол

Русский

2013-07-11

326.5 KB

2 чел.

Лекция I

1. Распределение Максвелла.

Статистическая физика изучает свойства макроскопических тел, т.е. систем, состоящих из огромного числа частиц. Например, для аудитории с размерами , учитывая, что каждый моль воздуха занимает объем 22,4 л и содержит  (число Авогадро) молекул, получаем впечатляющее число  частиц воздуха в такой аудитории.

К.Дж. Максвелл был, по-видимому, одним из первых, кто понял, что не нужно прослеживать судьбу каждой молекулы и предложил вероятностное описание таких систем. Следует помнить, что квантовая механика была открыта спустя более чем полвека. Распределение Максвелла по импульсам

                                    (I.1.1)

определяет вероятность найти частицу идеального газа при температуре  с импульсом  в элементе объема импульсного пространства . Здесь масса частицы, постоянная Больцмана:

                                                   (I.1.2)

Из распределения (I.1.1) непосредственно следует и распределение по энергиям частиц . Учитывая, что трехмерный объем шара с радиусом  равен , получаем

                                        (I.1.3)

Положение максимума функции ,  следует из равенства

                              (I.1.4)

Распределение (I.1.3) представим в форме

                 (I.1.5)

где удобная для дальнейшего безразмерная переменная (см. Рис II.1). Отсюда для среднего значения  сразу же получаем

                                      (I.1.6)

Здесь гамма-функция Эйлера: , . Поскольку

,    ,     ,     ,     (I.1.7)

то для среднего значения, флуктуации  и относительной флуктуации  энергии находим известные результаты

                                    (I.1.8)

2. Ансамбль Гиббса.

Идею Максвелла о вероятностном описании Джозайя Виллард Гиббс (1839 – 1903) распространил на произвольные механические системы с большим числом степеней свободы. В классической теории развитие таких систем во времени определяется уравнениями Гамильтона

                            (I.2.1)

где число степеней свободы. Здесь  и  - обобщенные координаты и импульсы,  - гамильтониан (точнее функция Гамильтона) системы. В уравнениях (I.2.1) приняты обозначения , . Чтобы обойти практически неразрешимую проблему интегрирования уравнений (I.2.1), Гиббс предложил рассматривать большое число  (фактически бесконечное) идентичных механических систем с гамильтонианом  – ансамбль Гиббса. Тогда вероятность найти такую систему в элементе фазового пространства  выражается через функцию статистического распределения:

,                               (I.2.2)

Если удается найти такую функцию, то среднее значение любой физической величины  можно вычислить “простым” интегрированием по фазовому пространству:

                                    (I.2.3)

Чтобы указать явный вид функции статистического распределения, Гиббс использовал несколько соображений. Вот первое из них.

3. Теорема Лиувилля.

Хорошо известно, что развитие во времени является каноническим преобразованием:

,                                    (I.3.1)

с производящей функцией , так что

                                                        (I.3.2)

Поскольку такое каноническое преобразование можно рассматривать как замену переменных, то при развитии системы во времени сохраняется фазовый объем:

                                (I.3.3)

Формально это можно получить так

,                                                         (I.3.4)

где

- якобиан преобразования. Вычислим его.

Учитывая (I.3.2), получаем

,

откуда и следует (I.3.3), т.е. теорема Лиувилля.

Рассмотрим теперь некоторый объем фазового пространства , содержащий  систем из их полного числа .

С течением времени эти  систем займут фазовый объем ,

Поэтому

                                                        (I.3.5)

Если рассмотреть достаточно малый объем , то функция  в нем практически постоянна и

.

Отсюда согласно (I.3.3) немедленно заключаем

,                                                       (I.3.6)

т.е. функция статистического распределения является интегралом движения. Это утверждение также называют теоремой Лиувилля.

Этот важный результат можно получить и непосредственно. Рассмотрим элемент фазового пространства  и вычислим убыль систем из него с течением времени (см. Рис. I.1, точками изображены системы, находящиеся в этом объеме).

  

                                         Рис. I.1

Убыль через отрезок , связанная с изменением координаты

Убыль через отрезок  за счет изменения импульса  

Полная убыль точек из фазового объема  

                                                     (I.3.7)

Это уравнение является непосредственным обобщением уравнения непрерывности для идеальной жидкости

                                                          (I.3.8)

Учитывая уравнения Гамильтона (I.2.1) в правой части уравнения (I.3.7), получаем

                     (I.3.9)

Где

- скобки Пуассона. Так как полная производная согласно (I.3.9)

,                                              (I.3.10)

то это означает, что функция статистического распределения является интегралом движения, в полном соответствии с утверждением (I.3.6).

4. Каноническое распределение Гиббса.

Изучение зависимости функции распределения  от времени, т.е. решение уравнения (I.3.10), исключительно сложная задача и является предметом исследования физической кинетики, которой посвящен последний Х том курса Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица. Ее результаты не всегда удовлетворительны, достаточно вспомнить прогнозы метеослужбы. Задача нашего курса менее амбициозная – она состоит в исследовании стационарных ситуаций, когда после окончания релаксационных процессов система приходит в состояние так называемого термодинамического равновесия. Итак, в дальнейшем

                                     (I.4.1)

В этом случае возникают дополнительные упрощения. Действительно, одна только теорема Лиувилля не слишком конструктивна. Функция статистического распределения  является интегралом движения и, следовательно, может быть выражена только через интегралы движения механической системы. Однако их число равно , что не очень обнадеживает. Ситуацию кардинально меняет соображение, что  является мультипликативной функцией:

,                                                           (I.4.2)

где  и  - функции распределения для двух независимых систем, а  - для объединенной системы. В этом случае  и , так что справедливо равенство (I.4.2). Поэтому полезно рассмотреть логарифм функции распределения, который является уже аддитивной функцией для  независимых подсистем

,                                                    (I.4.3)

Из этого равенства следует, что  выражается только через аддитивные интегралы движения, которых, как известно, всего семь: энергия , импульс  и момент импульса . Поэтому для функции статистического распределения имеем

                                       (I.4.4)

В дальнейшем мы не будем рассматривать прямолинейное движение как целого и ее  вращение, т.е. положим , . Тогда функция распределения выражается только через гамильтониан:

            (I.4.5)

Здесь

                                                   (I.4.6)

- обеспечивающий нормировку статистический интеграл,

                                                      (I.4.7)

- свободная энергия Гельмгольца, а  - модуль распределения. Если гамильтониан системы не ограничен сверху, как это, вообще говоря, и бывает, то для сходимости нормировочного интеграла (I.4.6) необходимо, чтобы , так что абсолютная температура положительна, .

Если функция статистического распределения задана в виде (I.4.5), то говорят, что ансамбль канонически распределен, а само распределение называют каноническим распределением Гиббса (сам Дж. В. Гиббс называл такое распределение просто каноническим).

Если привести в контакт две системы, канонически распределенные с одинаковым модулем , то объединенная система также будет в термодинамическом равновесии с тем же , если :

     .

Если же , то при таком контакте (тонкие пленки, химические реакции) возможно тепловое возмущение, и функция распределения  не факторизуется. Равенство  сразу же следует из сравнения канонического распределения (I.4.5) с распределением Максвелла.

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29751. Поняття про педагогічну діяльність, завдання професійної освіти 18.4 KB
  Одним із завдань навчання є підготовка юної особистості до професійного вибору на основі певних знань і навичок.Фактори ефективності уроку виробничого навчання Викладачів і майстрів дотримуватися слідуючих положень правил: високого рівня навчання; систематичності і послідовності навчання; наглядності навчання; доступності навчання; навчання на виробничій практиці; активності і свідомості учнів у навчанні; твердості знань умінь і навиків.
29752. Критерії оптимізації процесу навчання 18.29 KB
  До критеріїв оптимізації процесу навчання належать: а ефективність процесу навчання – результат успішності навчання учнів а також їх вихованості і розвитку; б якість навчання – ступінь відповідності результатів навчання вимогам всього комплексу цілей і завдань навчання ступінь відповідності результатів максимальним можливостям кожного школяра в певний період розвитку; в оптимальність витрат часу та зусиль учнів та учителів відповідність діючим гігієнічним нормам. Вибір певної структури процесу навчання завжди пов’язаний з прийняттям...
29753. Принцип індивідуальне навчання 18.64 KB
  Один учень взаємодіє лише із засобами навчання книги комп’ютер. Загальні принципи: Індивідуалізація є стратегія процесу навчання; Індивідуалізація являється необхідним фактором формування особистості; Використання індивідуалізованого навчання з усіх предметів які вивчаються; Інтеграція індивідуальної роботи з іншими формами навчальної діяльності; Навчання в індивідуальному стилі і темпі; Передумовою Індивідуалізації навчання являється вивчення особливостей учнів які в першу чергу слід враховувати при індивідуалізації навчальної...
29754. Організація робочих місць учнів у навчальній майстерні 19.38 KB
  В навчальних майстернях обладнуються робочі місця учнів індивідуального і колективного користування та робоче місце вчителя у відповідності до вимог ергономіки. У навчальних майстернях обладнуються робочі місця учнів індивідуального і колективного користування робоче місце вчителя. Конструкція й організація робочих місць повинні забезпечувати можливість виконання робіт у повній відповідності з навчальними програмами а також враховувати відмінності антропометричних даних учнів вимоги ергономіки наукової організації праці та технічної...
29755. Стандарт освіти та його структура 77.91 KB
  Забезпечення мотивації і прийняття учнями мети навчальнопізнавальної діяльності актуалізація опорних знань і умінь. Готовність учнів до активної навчальнопізнавальної діяльності на основі опорних знань. Засвоєння нових знань і способів дій. Забезпечення сприйняття осмислення і первинного запам'ятовування знань і способів дій зв'язків і стосунків в об'єкті вивчення.
29756. Алгоритм підготовки викладача до уроку теоретичного навчання 18.07 KB
  Попередня підготовка до уроку: вивчення навчальної програми;змісту самої програми усвідомлення мети і завдань навчальної дисципліни в цілому та мети і завдань які вирішує кожна тема. Послідовність безпосередньої підготовки до уроку: 1.Формулювання мети і завдань уроку.
29757. Методика вивчення навчальних досягнень учнів 17.77 KB
  Запровадження 12бальної системи оцінювання навчальних досягнень учнів потребують розробки різнорівневих завдань. Основним видом оцінювання навчальних досягнень учнів є тематичне тому що тільки у межах відповідної мети в учнів формується цілісне сприйняття об’єкта вивчення забезпечується ситність та наступність у засвоєнні знань можливість поступового їхнього опанування від нижчого до вищого рівня. Оцінюючи навчальні досягнення учнів враховують: характер відповіді учня: елементарна фрагментарна неповна повна логічна доказова...
29758. Методи створення і використання навчальних матеріалів 19.26 KB
  Засоби навчання: Технічні засоби навчання обладнання й апаратура що застосовуються в навчальному процесі з метою підвищення його ефективності. При підготовці і проведенні уроку з використанням технічних засобів навчання необхідно: детально проаналізувати зміст і мету уроку зміст і логіку навчального матеріалу; визначити обсяг та особливості знань які повинні засвоїти учні уявлення факти закони гіпотези необхідність демонстрування предмета явища або їх зображення. Якщо умовно представити коло де розташовані різні предмети в...
29759. Засоби педагогічної діяльності 18.48 KB
  Засоби навчання це різноманітні матеріали і знаряддя навчального процесу завдяки яким більш успішно і за коротший час досягаються визначені цілі навчання. До засобів навчання належать: підручники навчальні посібники дидактичні матеріали технічні засоби ТЗН обладнання станки навчальні кабінети лабораторії ЕОМ ТБ та інші засоби масової комунікації. Засобами навчання можуть також слугувати реальні об'єкти виробництво споруди. Вибір засобів навчання залежить від дидактичної концепції мети змісту методів і умов навчального...