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

7 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

74815. Полемика о творчестве А.С. Пушкина и литературно-эстетическое самосознание писателя. Значимость наследия А.С. Пушкина в истории русской и мировой культуры и опыт его осмысления 15.66 KB
  Пушкина и литературно-эстетическое самосознание писателя. Пушкина в истории русской и мировой культуры и опыт его осмысления. Пушкин был певцом и вдохновителем освободительного движения своего времени: как поэт свою заслугу перед народом он видел в том что будил чувства добрые и в свой жестокий век восславил свободу. Пушкин самый яркий выразитель чувств дум и стремлений своего времени.
74816. Поэты пушкинской эпохи и понятие «Плеяды». Общее и особенное в их авторских стратегиях: А.А. Дельвиг, П.А.Вяземский, Е.А.Боратынский, Д.В. Веневитинов, Н.М. Языков. Влияние их творческих исканий на дальнейшее развитие отечественной словесности 18.16 KB
  Термин пушкинская плеяда по мере изучения поэзии Пушкина романтической эпохи и конкретных поэтов стал считаться уязвимым поскольку вопервых возник по аналогии с наименованием французской поэтической группы Плеяда Ронсар Жодель Дюбелле и др. давая повод для неправомерных ассоциаций и неуместных сближений Пушкина с Ронсаром. Следовательно если принимать понятие пушкинская плеяда нужно отчетливо осознавать что в этом созвездии названном именем Пушкина последний является самой крупной звездой в то время как другие светила...
74817. Теория «официальной народности», социально-исторические концепции славянофилов и западников и их отражение в словесности второй половины 1830- х – первой половины 1850-х годов 15.67 KB
  Уваров доказывал что просвещение может быть не только источником зла революционных потрясений как это случилось в Западной Европе а может превратиться в элемент охранительный к чему следует стремиться в России. Поэтому всем служителям просвещения в России предлагалось исходить исключительно из соображений официальной народности. По мнению консерваторов николаевской эпохи в России не было причин для революционных потрясений. Бенкендорф прошедшее России было удивительно ее настоящее более чем великолепно что же касается ее...
74818. Традиции и новаторство М.Ю. Лермонтова - лирика в разработке смысла жизни, назначения поэзии, мотивов свободы и любви к Родине 14.69 KB
  Лермонтова лирика в разработке смысла жизни назначения поэзии мотивов свободы и любви к Родине. Лермонтова по праву считается одним из вершинных явлений в русской литературе. Кроме того в творчестве Лермонтова присутствуют такие темы и мотивы которые были несвойственны творчеству его старшего современника тема одиночества и бездомности тема потерянного поколения; тема земли и неба; тема маски скрытого или утраченного лица. В поэзии Лермонтова постоянно борются две противоположные стихии принимая разные обличья земли и неба...
74819. Становление психологического прозаического романа в творчестве М.Ю. Лермонтова. «Герой нашего времени» – квинтэссенция основных философско-этических идей писателя 15.46 KB
  Лермонтов вводит в роман в качестве центральной фигуры именно герояпсихолога. Ему во многом помогает раскрыть характер главного героя такая форма психологического анализа как монологисповедь в виде дневника в виде дневника написаны Тамань Княжна Мери и Фаталист В своих записках Печорин описывает психологическую игру которую он ведет с окружающими. Выделяется и меткость точность языка который противопоставляется готовым пышным фразам Грушницкого драпирующегося в манерноромантического героя. Раскрывает особенности...
74820. Н.В. Гоголь и развитие «высокой» комедии. Тематика «Ревизора» в свете социальных, этических и религиозных взглядов писателя 15.3 KB
  Гоголь и развитие высокой комедии. В начале декабря 1835 года Гоголь окончил Ревизора. Гоголь создает необычную для пьесы ситуацию: вместо одной личной или домашней интриги изображается жизнь целого города что значительно расширяет социальный масштаб пьесы и позволяет осуществить поставленную цель: ldquo;Собрать в одну кучу все дурное в Россииrdquo;. Гоголь создает новаторскую ситуацию когда раздираемый внутренними противоречиями город становится способным к цельной жизни благодаря общему кризису общему чувству страха низших перед...
74821. Мертвые души – центральное произведение Н.В. Гоголя. Образ автора и общая концепция поэмы о возрождении души 15.84 KB
  Образ автора и общая концепция поэмы о возрождении души Литературная критика XIX века начиная с Белинского стала называть Гоголя зачинателем нового периода развития русской реалистической литературы. Если для Пушкина была характерна гармония и объективность художественного мира то в творчестве Гоголя на смену этому приходит критический пафос который определяет стремление художника отразить реальные противоречия действительности проникнуть в самые темные стороны жизни и человеческой души. Поэма Мертвые души является одним из самых...
74823. Основные этапы развития драматургии А.Н. Островского. Новаторство А.Н. Островского. Его традиции в современном театре 16.03 KB
  Обладая незаурядным общественным темпераментом Островский всю жизнь деятельно боролся за создание реалистического театра нового типа за подлинно художественный национальный репертуар за новую этику актёра. Как драматург и режиссёр Островский содействовал формированию новой школы реалистической игры выдвижению плеяды актёров особенно в московском Малом театре : семья Садовских С. Только через шесть лет после того как Островский начал печататься 14 января 1853 года поднялся занавес на первом представлении комедии Не в свои сани не садись...