45807

Распределение Максвелла

Лекция

Физика

При выводе основного уравнения МКТ молекулам задавали различные скорости. В результате многократных соударений скорость каждой молекулы изменяется по модулю и направлению. Однако из-за хаотического движения молекул все направления движения равновероятны

Русский

2014-10-12

122 KB

6 чел.

ЛЕКЦИЯ  № 11

4. Распределение Максвелла

При выводе основного уравнения МКТ молекулам задавали различные скорости. В результате многократных соударений скорость каждой молекулы изменяется по модулю и направлению. Однако из-за хаотического движения молекул все направления движения равновероятны, т.е. в любом направлении в среднем движется одинаковое число молекул.

По МКТ, как бы ни изменялись скорости молекул при столкновении, средняя квадратичная скорость молекул массой m0 в газе, находящемся в термодинамическом равновесии при T = const, остается постоянной и равной

Это объясняется тем, что в газе, находящемся в состоянии равновесия, устанавливается некоторое стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям, которое подчиняется определенному статистическому закону. Этот закон теоретически вывел Дж. Максвелл.

При выводе закона распределения молекул по скоростям Максвелл предполагал, что газ состоит из очень большого числа N тождественных молекул, находящихся в состоянии беспорядочного теплового движения при одинаковой температуре. Предполагалось также, что силовые поля на газ не действуют.

Закон Максвелла описывается некоторой функцией f(), называемой функцией распределения молекул по скоростям.

Если разбить диапазон скоростей молекул на малые интервалы, равные d, то на каждый интервал скорости будет приходиться некоторое число молекул dN(), имеющих скорость, находящуюся в этом интервале.

Значит, функция распределения молекул по скоростям определяет относительное число (долю) молекул dN()/N идеального газа, абсолютные значения скорости которых лежат в интервале от  до + d, или определяет плотность вероятности того, что данная молекула идеального газа обладает абсолютным значением скорости из интервала от  до + d:

 .           (11-1)

Применяя методы теории вероятностей, Максвелл получил функцию f() – закон о распределении молекул идеального газа по абсолютным значениям скоростей:

   (11-2)

Из (11-2) видно, что конкретный вид функции зависит от рода газа (от массы молекулы) и от параметров состояния (от температуры Т).

График функции (11-2) представлен на рисунке:

Площадь заштрихованной полоски на рисунке определяет долю молекул dN()/N, абсолютные значения скоростей которых лежат в интервале от  до + d,

Площадь под всей кривой, определяющая полное число частиц, равна единице.

Из графика видно, что молекул, имеющих очень маленькие и очень большие скорости, немного.

Небольшая доля молекул имеет скорости 11 км/с – вторая космическая скорость. Это объясняет медленное рассеяние Земной атмосферы.

Скорость, при которой функция распределения молекул идеального газа по скоростям максимальна, называется наиболее вероятной скоростью н.в..

Значение н.в. можно получить, продифференцировав выражение (11-2) по аргументу и приравняв к нулю.

Значения = 0 и = соответствуют минимуму выражения (11-2), а

    (11-3)

Из формулы (11-3) следует, что при повышении температуры максимум функции распределения молекул по скоростям сместится вправо. Однако площадь под кривой остается неизменной, поэтому при повышении температуры кривая распределения будет смещаться вправо и вниз.

Из формулы (11-3) также следует, что для газа с более тяжелыми молекулами максимум функции распределения молекул по скоростям сместится влево.

И вновь, так как площадь под кривой остается неизменной, то для более тяжелых молекул кривая распределения сместится влево и вверх.

Экспериментальная проверка распределения Максвелла была проведена в опыте Штерна:

Демонстрация №13: Распределение Максвелла.

5. Распределение Больцмана

При выводе основного уравнения МКТ и распределения Максвелла для молекул по скоростям предполагалось, что на молекулы газа внешние силы не действуют, поэтому молекулы равномерно распределены по всему объему.

Однако молекулы любого газа находятся в потенциальном поле силы тяжести Земли. Притяжение к Земле, с одной стороны, и тепловое движение – с другой, приводит к некоторому стационарному состоянию газа, при котором давление газа с высотой убывает.

,         (11-4)

где h – высота относительно уровня моря;

 P0 – нормальное давление на уровне моря;

 P – давление на высоте h.

Выражение (11-4) называется барометрической формулой. Она позволяет найти атмосферное давление на любой высоте или, измерив давление, найти высоту.

    (11-5)

Прибор для определения высоты над земной поверхностью называется высотомером (или альтиметром). Его работа основана на использовании формулы (10-4). Из этой формулы следует, что давление с высотой убывает тем быстрее, чем тяжелее газ.

Это объясняет кислородное голодание при подъеме над Землей.

При повышении температуры газа молекулы получают дополнительную энергию и поднимаются вверх, несколько уменьшая концентрацию у поверхности (общая площадь под кривой, определяющее общее количество частиц, остается неизменной).

Воспользовавшись выражениями , можно записать:

,         (11-6)

где п0 и 0 – концентрация и плотность газа на высоте h = 0.

Так как   потенциальная энергия молекул в поле силы тяжести, тогда если разбить диапазон высоты на малые интервалы, равные dh, то на каждый интервал высоты будет приходиться некоторое число молекул dN(h) из общего числа N, которое можно вычислить, используя функцию распределения Больцмана для молекул идеального газа, находящихся в потенциальном поле:

   (11-7)

где С – некоторая константа, значение которой определяется из условия нормировки

    (11-7а)

Из (11-7) следует, что при T = const плотность газа больше там, где меньше потенциальная энергия его молекул.

Если частицы имеют одинаковую массу и находятся в состоянии хаотического теплового движения, то распределение Больцмана справедливо в любом внешнем потенциальном поле, а не только в поле силы тяжести.

Демонстрация № 14: Распределение Больцмана.

PAGE   \* MERGEFORMAT6


f(
)

d

EMBED Equation.DSMT4  

f()

н.в.

2 > Т1

f()

Т1

F()

m2 > m1

m1

R1

R2

S

h

P

P0

h

Р

N2

O2

T2 > T1

h

n

n01

n02

T1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83850. Хирургическая анатомия переднего отдела шеи и основного сосудисто-нервного пучка шеи. Хирургическая тактика при ранении шеи 55.76 KB
  Хирургическая тактика при ранении шеи. Трегольники шеи и их прикладное значение 1. грудиноключичнососцевидной мышцей и срединной линией шеи: Подчелюстной треугольник ограничен краем нижней челюсти и обоими брюшками двубрюшной мышцы.
83851. Хирургическая анатомия щитовидной железы и околощитовидных желёз 49.08 KB
  Хирургическая анатомия щитовидной железы Щитовидная железа состоит из двух боковых долей и перешейка. В каждой доле железы различают верхний и нижний полюсы. Примерно в одной трети случаев наблюдается наличие отходящего кверху от перешейка в виде добавочной доли железы.
83852. Оперативные вмешательства на щитовидной железе. Техника выполнения, возможные осложнения 50.05 KB
  Оперативные вмешательства на щитовидной железе В настоящее время наиболее широко применяются следующие операции на щитовидной железе: удаление части органа резекция: полное удаление щитовидной железы тиреоидэктомия. Наиболее частой патологией щитовидной железы является диффузный токсический зоб. Субтотальная субфасциальная резекция шитовидной железы по О. расположенных в толще или под второй фасцией; рассечение париетального листка внутришейной фасции: выделение железы из ее капсулы; освобождение перешейка и пересечение его между...
83853. Хирургическая анатомия средостения. Доступы при флегмоне шеи и медиастините 51.42 KB
  Содержимое: дуга аорты: плечеголовной ствол; левая общая сонная артерия; левая подключичная артерия; ви лочковая железа; плечеголовные вены: верхняя полая вена: диафрагмальные нервы: блуждающие нервы: возвратные гортанные нервы: трахея: пищевод: грудной лимфатический проток: паратрахеальные. Среднее средостение Содержимое: перикард; сердце; восходящая часть аорты; легочный ствол; легочные артерии и легочные вены; правый и левый главные бронхи; верхний сегмент верхней полой вены: правый и левый диафрагмальные нервы: перикардиодиафрагмальные...
83854. Хирургическая анатомия молочной железы. Лечение гнойного мастита 50.44 KB
  Хирургическая анатомия молочной железы Скелетотопия: между III и VI ребрами сверху и снизу и между окологрудинной и передней подмышечной линиями с боков. Дольки железы располагаются радиально вокруг соска. Лимфатическая система женской молочной железы и расположение регионарных лимфатических узлов представляют большой практический интерес в связи с частым поражением органа злокачественным процессом.
83855. Хирургическое лечение рака молочной железы. Лимфодиссекция 50.03 KB
  Хирургическое лечение рака молочной железы В хирургии рака молочной железы в настоящее время применяются следующие оперативные вмешательства: А. Мэйеру удаление молочной железы с опухолью единым блоком с малой и большой грудными мышцами и клетчаткой подкрыльиовой. Экономные: Радикальная мастэктомия с сохранением большой грудной мышцы по Пейти удаление молочной железы с опухолью единым блоком с малой грудной мышцей и клетчаткой подмышечной подключичной и подлопаточной областей с лимфатическими узлами.
83856. Хирургическая анатомия сердца, магистральные сосуды и клапаны сердца. Коронарные артерии 119.51 KB
  Хирургическая анатомия сердца Голотопия. Пространственная ориентация сердца и его отделов выглядит следующим образом. По отношению к срединной линии тела при мерно 2 3 сердца располагается слева и 1 3 справа.
83857. Принципы операций при врождённых и приобретённых пороках сердца 50.28 KB
  К врожденным порокам сердца относятся: дефект межпредсердной перегородки: дефект межже.тудочковой перегородки который приводит к сбросу крови в правый желудочек через дефект в мышечной или мембранозной части перегородки: незаращенный артериальный проток ductus rteriosus Боталлов. Дефект межпредсердной перегородки ушивание дефекта у больных с наличием легочной гипертензии или пластика перегородки заплатой из аутоперикарда синтетической ткани при большом диаметре дефекта. Дефект межжелудочковой перегородки: радикальная операция ...
83858. Хирургическая анатомия лёгких. Корень лёгкого 45.58 KB
  Сегмент участок легкого вентилируемый бронхом третьего порядка. На медиальной поверхности каждого легкого располагаются его ворота. Здесь находятся составляющие корень легкого анатомические образования: бронх легочные артерии и вены бронхиальные сосуды и нервы лимфатические узлы. Скелетотопически корень легкого располагается на уровне VVII грудных позвонков.