74792

Барометрическая формула. Больцмановское распределение частиц в потенциальном поле

Доклад

Физика

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и максвелловского распределения молекул по скоростям предполагалось что на молекулы газа внешние силы не действуют поэтому молекулы равномерно распределены по объему.

Русский

2015-01-05

41.5 KB

2 чел.

32.Барометрическая формула. Больцмановское распределение частиц в потенциальном поле.

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и максвелловского распределения молекул по скоростям предполагалось, что на молекулы газа внешние силы не действуют, поэтому молекулы равномерно распределены по объему. Однако молекулы любого газа находятся в потенциальном поле тяготения Земли. Тяготение, с одной стороны, и тепловое движение молекул — с другой, приводят к некоторому стационарному состоянию газа, при котором давление газа с высотой убывает.

Выведем закон изменения давления с высотой, предполагая, что поле тяготения однородно, температура постоянна и масса всех молекул одинакова. Если атмосферное давление на высоте h равно р (рис. 67), то на высоте h+dh оно равно p+dp (при dh>0 dp<0, так как давление с высотой убывает). Разность давлений р и p+dp равна весу газа, заключенного в объеме цилиндра высотой dh с основанием площадью 1 м2:

где плотность газа на высоте h (dh настолько мало, что при изменении высоты в этом пределе плотность газа можно считать постоянной). Следовательно,

(45.1)

Воспользовавшись уравнением состояния идеального газа pV=(m/M) RT (т — масса газа, М — молярная масса газа), находим, что

Подставив это выражение в (45.1), получим

С изменением высоты от h1 до h2 давление изменяется от р1 до р2 (рис. 67), т. е.

или

(45.2)

Выражение (45.2) называется барометрической формулой. Она позволяет найти атмосферное давление в зависимости от высоты или, измерив давление, найти высоту: Так как высоты обозначаются относительно уровня моря, где давление считается нормальным, то выражение (45.2) может быть записано в виде

(45.3)

где р — давление на высоте h.

Прибор для определения высоты над земной поверхностью называется высотомером (или альтиметром). Его работа основана на использовании формулы (45.3). Из этой формулы следует, что давление с высотой убывает тем быстрее, чем тяжелее газ.

Барометрическую формулу (45.3) можно преобразовать, если воспользоваться выражением (42.6) p=nkT:

где n – концентрация молекул на высоте h, n0 – то же, на высоте h=0. Так как M=m0NA (NA – постоянная Авогадро, т0 масса одной молекулы), a R=kNA, то

(45.4)

где m0gh=П — потенциальная энергия молекулы в поле тяготения, т. е.

  (45.5)

Выражение (45.5) называется распределением Больцмана для внешнего потенциального поля. Из вето следует, что при постоянной температуре 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 (45.5) справедливо в любом внешнем потенциальном поле, а не только в поле сил тяжести.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42615. Подсчитать количество цифр целого десятичного числа 49 KB
  Инициализация переменной начальным значением x=6. Задаем условный оператор ifelse: если выполняется условие 2x2 то переменной y присваивается значение x2; если условие не выполняется то переменной y присваивается значение 4. Вывод результата или переменной x на экран.
42616. ЛОГИЧЕСКИЕ И АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ 84.5 KB
  Тогда можно утверждать что дождь начался в time1 = h1 60 m1 минут а закончился в time2 = h2 60 m2 минут. Разность между началом и концом дождя составляет timeRes = time2 – time1 24 60 24 60 минут. Выделяем количество часов и минут из timeRes и выводим их на экран.h int h1 h2 m1 m2 time1 time2 timeRes hres mres; void minvoid { h1 = 23; m1 = 50; h2 = 13; m2 = 20; time1 = h1 60 m1; time2 = h2 60 m2; timeRes = time2 time1 24 60 24 60; hres = timeRes 60; mres =...
42617. Получить сумму тех элементов последовательности 49 KB
  Получить b1bn где bi это значение первого по порядку положительного элемента iой строки если таких элементов нет то принять bi =1 2. Присвоим переменной а1 значение равное остатку от деления iтого элемента массива на 5 а переменной а2 значение равное остатку от деления iтого элемента массива на 2. Если значение переменной а1 будет равно нулю т. iый элемент массива нацело поделился на 5 а значит он кратен 5 то прибавим к значению переменной sum1 значение iтого элемента массива.
42618. Системы счисления. Десятичная система счисления 100 KB
  Для задачи Rounder функция min имеет вид: void minvoid { Rounder s; int res = s.round1234567; printf d n res; } Калькулятор зарплаты SlryClcultor Работая в компании за первые 200 часов работник получает зарплату в размере p1 долларов в час каждый месяц. void minvoid { SlryClcultor s; double res = s.clcHours82812140; printf lf n res; } Убежать из прямоугольника EscpeFromRectngle Вы находитесь в точке x y внутри прямоугольника нижний левый угол которого имеет координаты 0 0 а правый верхний w...
42619. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЁРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ 1.45 MB
  Изучить методы определения твердости материалов устройство и работу твердомеров. Для оценки качества азотированных и цементированных деталей знание твердости является основным. По твердости можно судить о некоторых других механических характеристиках материала – модуле упругости Е пределе пропорциональности ПР пределе текучести y пределе прочности Вударной вязкости и др. Например для конструкционных углеродистых сталей при твердости по Бринеллю НВ 1500 4500 МПа можно определить величину предела прочности В из...
42621. ПРОЕКТНЫЙ АНАЛИЗ 494 KB
  Продолжительность капитальных вложений в создание нового производства (новой технологической линии) составляет 3 года с распределением по годам 50% : 25% : 25%. Необходимые объемы капитальных вложений в здания, сооружения и оборудование соответственно равны: $250,000; $240,000; $1,700,000.
42622. Вивчення елементів середовища СУБД MS Access 69.5 KB
  Створити порожнью базу даних СУБД СУБД MS ccess. Вивчити склад та призначення об’єктів бази даних СУБД MS ccess. Вивчити функції та призначення командних кнопок вікна управління базою даних СУБД MS ccess.
42623. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОГРАМНИХ ОБ'ЄКТІВ НАПЕРЕДВИЗНАЧЕНИХ ТИПІВ ТА ОПЕРАЦІЙ НАД НИМИ 215.5 KB
  Декларація об’єкта включає його ідентифікатор та індикатор типу. Опис програмних обєктів Паскаль: опис константи ::=const ідентифікатор = статичний вираз опис змінної ::= vr ідентифікатор : індикатор типу { базування }01 індикатор типу ::= ідентифікатор індикатор напередвизначеного типу базування ::=bsolute зображення значення вказівного типу bse ідентифікатор Наприклад: const PI = 3.14; опис константи PI vr sum : integer; опис змінної sum опис змінної mult розташованої в тому місті памяті що і sum vr mult: longint bse sum; опис...