36490

Розподіли Гаусса і Пуассона як частинні випадки біноміального розподілу

Шпаргалка

Физика

Для кожного тіла можна записати термічне рівняння стану та його внутрішню енергію як функцію параметрів які визначають його стан наприклад . Як називається це рівняння Це калоричне рівняння. Обидва ці рівняння не можуть бути отримані методами формальної термодинаміки. Якщо відомо відоме термічне рівняння стану то теорема Карно дозволяє в загальному вигляді розвязати питання залежності внутрішньої енергії від обєму.

Русский

2013-09-22

210.63 KB

8 чел.

Білет №24

1. Розподіли Гаусса і Пуассона як частинні випадки біноміального розподілу.

Розподіл Гаусса Як і раніше, вважатимемо, що , тобто маємо справу з великими числами. Дослідимо поведінку біноміального розподілу поблизу його максимуму за умови, що кількість частинок  . Візьмемо функцію біноміального розподілу і розкладемо її вряд поблизу максимуму :

Обмежимося першими трьома доданками. Другий доданок дорівнює нулю, оскільки похідна у максимумі дорівнює нулю.

Візьмемо першу похідну   

і продиференціюємо її ще раз :  .

Підставивши у розклад, отримаємо

, або

.

Ми отримали нормальний розподіл імовірності, або розподіл Гауса. Як завжди проаналізуємо залежність і побудуємо графік. Залежність прямує до нуля на нескінченності і має максимум при . При буде дуже мала імовірність потрапляння частинки у виділений об’єм . Тоді показник експоненти прямуватиме до , а сама експонента – до нуля, отже . Визначимо значення функції у точці максимуму. Для цього скористуємось умовою нормування   .

Підставимо явний вигляд функції   .

Змінимо змінну інтегрування   ;   ;    

тоді межі інтегрування зміняться як            .

Максимум розподілу зміститься у початок координат. Оскільки у наближенні Гауса , точка буде лежати досить далеко від максимуму. Ми знаємо, що площа під кривою дорівнює одиниці, це умова нормування. Поглянемо на графік залежності . Подалі від максимуму залежність швидко (експоненціально) спадає до нуля. Отже, якщо ми прихопимо при інтегруванні шматок , ми не дуже спотворимо результат. Отже при заміні змінної межі інтегрування будуть    

Використаємо інтеграл Пуассона                       ;             .

Тоді розподіл Гауса набуває вигляду     .

Визначимо дисперсію розподілу Гауса.

.

Використаємо інший інтеграл Пуассона    ,

Тоді    ;

.

Виразимо розподіл Пуассона через дисперсію та середню квадратичну флуктуацію

.

Чим менша дисперсія, тим вище буде пік, але вужчий, оскільки площа під кривою повинна залишатись сталою (умова нормування).

Найчастіше нас цікавить імовірність потрапляння у певний інтервал, тобто.

Звичайно, чим більший інтервал, тим вища імовірність потрапляння до нього

;      ;          .

Отже, поблизу свого максимуму біноміальний розподіл можна наближено замінити розподілом Гауса.

Розподіл за Пуассоном Другим важливим граничним випадком біноміального розподілу є розподіл Пуассона. Розглянемо біноміальний розподіл

за умови, що кількість частинок, як і раніше, дуже велика , а імовірність події дуже мала, так само, як і кількість частинок, що потрапляють у виділений об’єм (дуже мале, менше одиниці бути не може). Тоді

.

Прологарифмуємо величину :

.

У нас дуже мала кількість частинок у виділеному об’ємі, це означає, що імовірність потрапляння туди – дуже мала величина, отже при малих

;

тоді

.

.

Остаточно отримаємо розподіл Пуассона

.

Фізичний зміст розподілу Пуассона – якщо у певному об’ємі, або інтервалі часу, або ще у чомусь, спостерігається в середньому подій, то імовірність спостереження подій визначається розподілом Пуассона .

2. Метод циклів. Його використання для знаходження залежності внутрішньої енергії ідеального газу від температури та різниці .

За допомогою теорем Карно можна отримати не тільки абсолютну шкалу температур, а й багато важливих співвідношень між фізичними величинами, що характеризують систему у стані термодинамічної рівноваги. Для цього треба заставити систему виконати цикл Карно і застосувати теорему Карно. Такий метод називається методом циклів. І ми розглянемо його на деяких прикладах.

 Приклад 1. Для кожного тіла можна записати термічне рівняння стану 

та його внутрішню енергію як функцію параметрів, які визначають його стан, наприклад,

.

Як називається це рівняння? Це калоричне рівняння. Обидва ці рівняння не можуть бути отримані методами формальної термодинаміки. Їх можна отримати з експерименту або на основі статистичних уявлень.

Якщо відомо відоме термічне рівняння стану, то теорема Карно дозволяє в загальному вигляді розв’язати питання залежності внутрішньої енергії від об’єму.

Нехай є тіло, яке виконує нескінченно малу роботу, тобто має нескінченно малий цикл Карно. Згідно із першою теоремою Карно його к.к.д.

.

Розрахуємо окремо роботу та кількість тепла, отриманого від нагрівача.

Робота дорівнює площі циклу. Чотирикутник 1234 можна вважати паралелограмом, його площа дорівнює площі паралелограму 1256. Площа паралелограму дорівнює добутку основи на висоту. У нашому випадку висота буде дорівнювати збільшенню об’єму при ізотермічному процесі 12. Основу 61 дає збільшення тиску при збільшенні температури при сталому об’ємі. Воно становить . Тоді робота

.

Знайдемо тепер кількість теплоти на ізотермі 12, тобто ту кількість, яку віддав нагрівач.

.

Зміною нехтуємо, оскільки цикл нескінченно малий. Внутрішня енергія є функцією об’єму і температури , але на ізотермі.

.

Підставляємо все у вираз для к.к.д.

.

Скоротивши, отримаємо вираз для залежності внутрішньої енергії від об’єму у загальному випадку :

.

Перевіримо отримане співвідношення для ідеального газу.

,    ,    ,    .

.

Дійсно, ми отримали закон Джоуля, що внутрішня енергія ідеального газу не залежить від об’єму, а є лише функцією температури, про що ми знали й раніше. Отже, співвідношення отримали вірне.

Приклад 2. Із першого начала термодинаміки  ми свого часу отримали формулу

.

Щоб визначити за цією формулою різницю , треба знати термічне і калоричне рівняння станів. Друге начало термодинаміки дозволяє розв’язати цю задачу без калоричного рівняння.

Скориставшись отриманим у попередньому прикладі рівнянням

,

підставимо його в вираз для різниці . Це дає

.

Давайте зробимо невеличкий відступ. Візьмемо рівняння стану , і виразимо один із параметрів стану (будь-який) через два інші і знайдемо його повний диференціал

.

Це співвідношення справедливе при будь яких малих приростах і , і вони можуть вважатись незалежними змінними. Але формула буде вірною, якщо на зміни і накладене якесь обмеження. Припустимо, що тіло приймає участь у процесі, в якому . Це може бути для ізобарного процесу, коли , тоді величини і , перестають бути незалежними, і ми маємо

.

Якщо розв’язати це рівняння відносно , отримаємо

.

Скориставшись очевидним співвідношенням, відомим вам із курсу математичного аналізу,

запишемо

,

можна отримати різні комбінації параметрів у співвідношенні для різниці . Спробуйте вдома!

Знову ж таки перевіримо вірність отриманого співвідношення для ідеального газу.

,    ,    ,    , .

.

Ми отримали добре відоме співвідношення Роберта Майєра, що підтверджує вірність отриманої формули.

3. Внутрішня енергія газу Ван-дер-Ваальса.

Давайте пригадаємо, з якою проблемою ми завжди стикались у термодинаміці. У нас завжди більше параметрів, ніж рівнянь. Крім того, термодинаміка не дає у загальному вигляді рівняння стану   

та калоричне рівняння    .

Їх можна отримати лише із статистичної фізики або експериментально. Але ми знаходили ці рівняння для ідеального газу : рівняння Клапейрона-Менделєєва

та закон Джоуля    .

Для реального газу рівняння стану ми вже знайшли – це рівняння Ван-дер-Ваальса

.

Тепер будемо шукати калоричне рівняння для реального газу, а для цього нам треба знайти вираз для внутрішньої енергії реального газу.

Запишемо повний диференціал внутрішньої енергії

.

Оскільки при закон збереження енергії набуває вигляду , а за означенням теплоємності , то     .

Перший доданок має місце для будь-якої речовини, у тому числі і для реальних газів. Другий доданок дорівнює нулю для ідеального газу, а для реальних газів ми поки що нічого не можемо сказати, можливо і відмінний від нуля.

Сподіваюсь, ви ще пам’ятаєте, що користуючись методом циклів Карно, ми у загальному вигляді розв’язали задачу про знаходження калоричного рівняння

.

(Для ідеального газу діє закон Джоуля – внутрішня енергія ідеального газу не залежить від об’єму, а є лише функцією температури).

Використаємо рівняння Ван-дер-Ваальса у вигляді    .

Тоді    

Звідки    .

Підставивши отримані співвідношення у загальний вигляд калоричного рівняння, маємо

.

Тоді, підставивши все у вираз для повного диференціалу внутрішньої енергії, отримали

.

Продиференціювавши цей вираз, маємо внутрішню енергію реального газу у найзагальнішому випадку (для довільної залежності теплоємності від температури)

.

Якщо вважати, що ми працюємо у вузькому інтервалі температур, коли можна вважати, що , то калоричне рівняння набуває вигляду

.

Давайте розглянемо фізичний зміст отриманого рівняння. Внутрішня енергія реального газу складається із кінетичної енергії теплового руху його молекул та потенціальної енергії їх взаємодії.  Мірою середньої кінетичної енергії є температура, отже перший доданок пов’язаний саме із кінетичною енергією. Другий доданок виник у рівняння стану, коли ми врахували силу притягання між молекулами, отже він пов’язаний із потенціальною енергією. Можна оцінити роботу, яку необхідно виконати проти цієї сили притягання, яка дає приріст потенціальної енергії реального газу при ізотермічному розширенні

.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31069. Варианты лимфаденитв 19.22 KB
  Лимфогранулематоз Хлджкина злокачественная опухоль лимфоидной ткани в которой малочисленные опухолевые клетки характерного строения располагаются среди преобладающего реактивного клеточного окружения. Опухолевые клетки при нодулярном типе лимфоидного преобладания экспрессируют панВклеточные антигены в то время как клетки классического лимфогранулематоза утрачивают экспрессию Вклеточных антигенов. Клетки БерезовскогоШтернбергаРид типичного строения крупные 2030 мкм с дву или многодольчатым ядром или дву или многоядерного...
31070. Одонтогенный сепсис 30.01 KB
  Изначально причиной одонтогенного сепсиса чаще всего являются осложнения кариеса: апикальный периодонтит периостит остеомиелит челюстей и флегмоны мягких тканей орофациальной области. Для реализации сепсиса необходима неадекватная гиперергическая реакция макроорганизма на возбудителя и несостоятельность его антибактериальной защиты. При сепсисе утрачена способность макроорганизма локализовать инфекцию.
31071. Десмодонтоз 15.62 KB
  Впоследствии начинается воспалительный процесс в десневых тканях образуются пародонтальные карманы которые наполнены гнойным содержимым происходит смещение зубов их расшатывание а затем они попросту выпадают. Параллельно с этим заболеванием происходит поражение ладоней и подошв стопы гиперкератоз происходит нарушение обменных процессов триптофана и возникает диспротеинэмия. Лечение в данном случае требуется симптоматическое а при уже развившихся стадиях происходит удаление поврежденных зубов и проводится ортопедическое лечение.
31072. Кандидоз 15.34 KB
  Болеют кандидозом дети начиная с первых дней жизни и взрослые обычно пожилые и ослабленные чаще женщины. Существуют два пути возникновения кандидоза заражение от больного кандидозом и переход собственных условнопатогенных грибов в патогенные под воздействием благоприятных для развития гриба факторов. В развитии кандидоза особенно хронического значительную роль играют: дефекты клеточного иммунитета заболевания эндокринной системы тяжелые истощающие заболевания туберкулез анацидные гастриты...
31073. Актиномикоз (лучисто-грибковая болезнь) 16.46 KB
  При локализации процесса на нижней губе в области щеки инфильтрат ограниченный часто округлой формы спаян с подслизистой тканью. При расположении очага в подъязычной области на нижней и боковой поверхностях языка инфильтрат более разлитой и поверхностный. Слизистая оболочка в области поражения имеет красный иногда цианотичный цвет. При расположении очагов в области губы или щеки наблюдается абсцедирование.
31074. Предраковые заболевания 18.89 KB
  Значительную роль играют: курение табака склонность к очень горячей или острой пище крепким спиртным напиткам жевание табака употребление наса неблагоприятные метеорологические условия холод ветер сильная инсоляция длительно существующие слабые механические травмы профессиональные факторы анилиновые краски и лаки пары и пыль пека продукты сухой перегонки угля каменноугольной смолы фенол формальдегид пары бензина некоторые соединения бензола и др. Веррукозная лейкоплакия встречается в виде ограниченных...
31075. ОПУХОЛИ СЛИЗИСТОЙ ОБОЛОЧКИ ПООСТИ РТА 18.21 KB
  Рак слизистой оболочки рта При локализации поражения на первом месте стоит нижняя губа на втором язык на третьем дно полости рта затем слизистая оболочка щек неба челюстей и др. По гистологической картине различаются следующие формы рака полости рта: Для внутриэпителиального рака характерны признаки малигнизации эпителия при сохраненной базальной мембране. Плоскоклеточный рак микроскопически представляет скопления злокачественных эпителиальных клеток инфильтрирующих подлежащую соединительную ткань. Для Лимфоэпителиомы характерна...
31076. Эпителиальные опухоли 25.42 KB
  Инфильтрация подлежащих тканей отмечается лишь в запущенных случаях когда опухоль прорастает вглубь с разрушением хряща кости. Клинически опухоль проявляется в виде язвенной и папиллярной форм.: эруптивная гидраденома гидроцистома киста потовой железы доброкачественная опухоль исходящая из внутриэпидермальной части протока эккринной потовой железы.
31077. Пиогенная гранулема 13.68 KB
  : дольчатая капиллярная гемангнома гипертрофическая капиллярная гемангиома частая разновидность капиллярной гемангиомы возникающая на пальцах и в слизистых оболочках полости рта и носа. Наряду с очажками типа грануляционной ткани и возможным вторичным воспалением отмечается сходство с ранней или поздней стадией ювенильной разновидности капиллярной гемангиомы.