Л больцман о значимости уравнения максвелла. Распределения максвелла и больцмана

Распределение Максвелла также применимо для электронных процессов переноса и других явлений. Распределение Максвелла применимо к множеству свойств индивидуальных молекул в газе. О нём обычно думают как о распределении энергий молекул в газе, но оно может также применяться к распределению скоростей, импульсов, и модуля импульсов молекул. Также оно может быть выражено как дискретное распределение по множеству дискретных уровней энергии, или как непрерывное распределение по некоторому континууму энергии.

Распределение Максвелла может быть получено при помощи статистической механики (см. происхождение статсуммы). Как распределение энергии, оно соответствует самому вероятному распределению энергии, в столкновительно-доминируемой системе, состоящей из большого количества невзаимодействующих частиц, в которой квантовые эффекты являются незначительными. Так как взаимодействие между молекулами в газе является обычно весьма небольшим, распределение Максвелла даёт довольно хорошее приближение ситуации, существующей в газе.

Во многих других случаях, однако, даже приблизительно не выполнено условие доминирования упругих соударений над всеми другими процессами. Это верно, например, в физике ионосферы и космической плазмы , где процессы рекомбинации и столкновительного возбуждения (то есть излучательные процессы) имеют большое значение, в особенности для электронов. Предположение о применимости распределения Максвелла дало бы в этом случае не только количественно неверные результаты, но даже предотвратило бы правильное понимание физики процессов на качественном уровне. Также, в том случае где квантовая Де-Бройлева длина волны частиц газа не является малой по сравнению с расстоянием между частицами, будут наблюдаться отклонения от распределения Максвелла из-за квантовых эффектов.

Распределение энергии Максвелла может быть выражено как дискретное распределение энергии:

,

где является числом молекул имеющих энергию при температуре системы , является общим числом молекул в системе и , - постоянная Больцмана . (Отметьте, что иногда вышеупомянутое уравнение записывается с множителем , обозначающим степень вырождения энергетических уровней. В этом случае сумма будет по всем энергиям, а не всем состояниям системы). Поскольку скорость связана с энергией, уравнение (1) может использоваться для получения связи между температурой и скоростями молекул в газе. Знаменатель в уравнении (1) известен как каноническая статистическая сумма .

Распределение Максвелла

Распределение по вектору импульса

Представленное ниже очень сильно отличается от вывода, предложенного Джеймсом Клерком Максвеллом и позже описанного с меньшим количеством предположений Людвигом Больцманом .

В случае идеального газа , состоящего из не взаимодействующих атомов в основном состоянии, вся энергия находится в форме кинетической энергии. Кинетическая энергия соотносится с импульсом частицы следующим образом

,

где - квадрат вектора импульса .

Мы можем поэтому переписать уравнение (1) как:

,

где - статсумма , соответствующая знаменателю в уравнении (1), - молекулярная масса газа, - термодинамическая температура, и - постоянная Больцмана . Это распределение пропорционально функции плотности вероятности нахождения молекулы в состоянии с этими значениями компонентов импульса. Таким образом:

Константа нормировки c , определяется из условия, в соответствии с которым суммарная вероятность того, что молекулы имеют какой-либо импульс, должна быть равна единице. Поэтому интеграл уравнения (4) по всем значениям и должен быть равен единице. Можно показать, что:

.

Таким образом, чтобы интеграл в уравнении (4) имел значение 1 необходимо, чтобы

.

Подставляя выражение (6) в уравнение (4) и используя тот факт, что , мы получим

.

Распределение по вектору скорости

Учитывая, что плотность распределения по скоростям пропорциональна плотности распределения по импульсам:

и используя мы получим:

,

что является распределением Максвелла по скоростям. Вероятность обнаружения частицы в бесконечно малом элементе около скорости равна

Распределение по абсолютной величине импульса

Интегрируя, мы можем найти распределение по абсолютной величине импульса

Распределение по энергии

Наконец, используя соотношения и , мы получаем распределение по кинетической энергии:

Распределение по проекции скорости

Распределение Максвелла для вектора скорости - является произведением распределений для каждого из трех направлений:

,

где распределение по одному направлению:

Это распределение имеет форму нормального распределения . Как и следует ожидать для покоящегося газа, средняя скорость в любом направлении равна нулю.

Распределение по модулю скоростей

Обычно, более интересно распределение по абсолютному значению, а не по проекциям скоростей молекул. Модуль скорости, v определяется как:

поэтому модуль скорости всегда будет больше или равен нулю. Так как все распределены нормально , то будет иметь хи-квадрат распределение с тремя степенями свободы. Если - функция плотности вероятности для модуля скорости, то:

,

таким образом, функция плотности вероятности для модуля скорости равна

В равновесном состоянии параметры газа (давле-ние, объем и температура) остаются неизменными, однако микро-состояния — взаимное расположение молекул, их скорости — не-прерывно изменяются. Из-за огромного количества молекул прак-тически нельзя определить значения их скоростей в какой-либо момент, но возможно, считая скорость молекул непрерывной слу-чайной величиной, указать распределение молекул по скоростям.

Выделим отдельную молекулу. Хаотичность движения позволяет, например, для проекции скорости u x молекулы принять нормальный закон распределения. В этом случае, как показал Дж. К. Максвелл , плотность вероятности записывается следующим образом:

аналогично для других осей

Используя (2.28), из (2.31) получаем:

Отметим, что из (2.32) можно получить максвелловскую функ-цию распределения вероятностей абсолютных значений скорости (распределение Максвелла по скоростям):

(2.36)

Среднюю скорость молекулы (математическое ожидание) мож-но найти по общему правилу [см. (2.20)]. Так как определяется среднее значение скорости, то пределы интегрирования берут от 0 до ¥ (математические подробности опущены):

где М = т 0 N A — молярная масса газа, R = k N A — универсальная газовая постоянная, N A — число Авогадро.

При увеличении температуры максимум кривой Максвелла смещается в сторону больших скоростей и распределение молекул по u видоизменяется (рис. 2.6; Т 1 < Т 2 ). Распределение Максвелла позволяет вычислить число моле-кул, скорости которых лежат в определенном интервале Du. Полу-чим соответствующую формулу.

Так как общее число N молекул в газе обычно велико, то веро-ятность dP может быть выражена как отношение числа dN моле-кул, скорости которых заключены в некотором интервале du, к общему числу N молекул:

либо графически вычислить площадь криволинейной трапеции в пределах от u 1 до u 2 (рис. 2.7).

Если интервал скоростей du достаточно мал, то число молекул, скорости которых соответствуют этому интервалу, может быть рассчитано приближенно по формуле (2.38) или графически как площадь прямоугольника с основанием du.

На вопрос, сколько молекул имеют скорость, равную како-му-либо определенному значению, следует странный, на первый взгляд, ответ: если совершенно точно задана скорость, то интер-вал скоростей равен нулю (du = 0) и из (2.38) получаем нуль, т. е. ни одна молекула не имеет скорости, точно равной наперед задан-ной. Это соответствует одному из положений теории вероятнос-тей: для непрерывной случайной величины, каковой является скорость, невозможно «угадать» совершенно точно ее значение, которое имеет по крайней мере хотя бы одна молекула в газе.

Распределение молекул по скоростям подтверждено различны-ми опытами.

Распределение Максвелла можно рассматривать как распреде-ление молекул не только по скоростям, но и по кинетическим энергиям (так как эти понятия взаимосвязаны).

Распределение Больцмана.

Если молекулы находятся в ка-ком-либо внешнем силовом поле, например гравитационном поле Земли, то можно найти распределение по их потенциальным энергиям, т. е. установить концентрацию частиц, обладающих не-которым определенным значением потенциальной энергии.

Распределение частиц по потенциальным энергиям в си-ловых полях — гравитационном, электрическом и др. — называют распределением Больцмана.

Применительно к гравитационному полю это распределение может быть записано в виде зависимости концентрации п моле-кул от высоты h над уровнем Земли или от потенциальной энер-гии молекулы mgh:

Выражение (2.40) справедливо для частиц идеального газа. Графи-чески эта экспоненциальная зависимость изображена на рис. 2.8.

Такое распределение молекул в поле тяготения Земли можно ка-чественно, в рамках молекулярно-кинетических представлений, объяснить тем, что на молекулы оказывают влияние два противо-положных фактора: гравитационное поле, под действием которого все молекулы притягиваются к Земле, и молекулярно-хаотическое движение, стремящееся равномерно разбросать молекулы по всему возможному объему.

В заключение полезно заметить некоторое сходство экспонен-циальных членов в распределениях Максвелла и Больцмана:

В первом распределении в показателе степени отношение кине-тической энергии молекулы к kT, во втором — отношение потен-циальной энергии к kT.

Билет

1) Кинематика материальной точки. Система отсчета, радиус – вектор, перемещение, путь, скорость, ускорение

Кинематика материальной точки - раздел кинематики, изучающий математическое описание движения материальных точек. Основной задачей кинематики является описание движения при помощи математического аппарата без выяснения причин, вызывающих это движение.
Система отсчета – Совокупность неподвижных друг относительно друга тел, по отношению к которым рассматривается движение и отсчитывающих время часов.
Радиус-вектор - Вектор, задающий положения точки в пространстве (например, гильбертовом или векторном) относительно некоторой заранее фиксированной точки
Перемещение - изменение местоположения физического тела в пространстве относительно выбранной системы отсчёта.
Путь - это длина траектории движения тела.
Перемещение - это отрезок, соединяющий начальное и конечное положение тела.
Скорость – Быстрота перемещения тела и направление в котором движется частица в каждый момент времени.
Ускорение – векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости движущегося тела по величине и направлению.

2) Волны. Общая характеристика волновых процессов. Уравнение плоской волны. Фазовая и групповая скорости волн

Волны – Бывают два вида волн: Продольные и поперечные. Если колебательный процесс перпендикулярен направлению распространению волны – поперечные. Если колебание вдоль – продольные.

Продольные волны - колебания среды происходят вдоль направления распространения волн, при этом возникают области сжатия и разрежения среды.
Поперечные волны - колебания среды происходят перпендикулярно направлению их распространения, при этом происходит сдвиг слоев среды.

Уравнение плоской волны -
Фазовая скорость волны - скорость перемещения точки, обладающей постоянной фазой колебательного движения, в пространстве
вдоль заданного направления.
Групповая скорость - определяет скорость и направление переноса энергии волнами

Билет

1) Прямолинейное и криволинейное движение. Тангенциальное и нормальное ускорения

Прямолинейное движение - механическое движение, при котором вектор перемещения ∆r не меняется по направлению, его модуль равен длине пути, пройденного телом
Криволинейное движение – это движение, траектория которого представляет собой кривую линию (например, окружность, эллипс, гиперболу, параболу). Примером криволинейного движения является движение планет, конца стрелки часов по циферблату и т.д. В общем случае скорость при криволинейном движении изменяется по величине и по направлению.
Тангенциальное (касательное) ускорение – это составляющая вектора ускорения, направленная вдоль касательной к траектории в данной точке траектории движения. Тангенциальное ускорение характеризует изменение скорости по модулю при криволинейном движении.
Нормальное ускорение - векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости движущегося тела по величине и направлению.

2) Принципы относительности Галилея, преобразования Галилея.

Принцип относительности Галилея - гласит, что все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.
Преобразования Галилея - Преобразования Галилея опираются на принцип относительности Галилея, который подразумевает одинаковость времени во всех системах отсчета («абсолютное время»)

Билет

1) Кинематика вращательного движения

Если в процессе движения абсолютно твердого тела его точки А и В остаются неподвижными, то и любая точка С тела, находящаяся на прямой АВ, также должна оставаться неподвижной. В противном случае расстояния АС и ВС должны были бы изменяться, что противоречило бы предположению об абсолютной твердости тела. Поэтому движение твердого тела, при котором две его точки Аи В остаются неподвижными, называют вращением тела вокруг неподвижной оси, а неподвижную прямую АВ называют осью вращения.

Рассмотрим произвольную точку М тела, не лежащую на оси вращения АВ. При вращении твердого тела расстояния М А и МВ и расстояние ρ точки М до оси вращения должны оставаться неизменными. Таким образом, все точки тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, описывают окружности, центры которых лежат на оси вращения, а плоскости перпендикулярны этой оси. Движение абсолютно твердого тела, закрепленного в одной неподвижной точке, называют вращением тела вокруг неподвижной точки - центра вращения. Такое движение абсолютно твердого тела в каждый момент времени можно рассматривать как вращение вокруг некоторой оси, проходящей через центр вращения и называемой мгновенной осью вращения тела. Положение мгновенной оси относительно неподвижной системы отсчета и самого тела с течением времени может изменяться.

2) Опыт Майкельсона. Постулаты СТО. Преобразования Лоренца, следствия из преобразований Лоренца

Опыт Майкельсона - физический опыт, поставленный Альбертом Майкельсоном на своём интерферометре в 1881 году, с целью измерения зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира. Под эфиром тогда понималась среда, аналогичная объёмно распределённой материи, в которой распространяется свет подобно звуковым колебаниям. Результат эксперимента по мнению Майкельсона был отрицательный - смещение полос не совпадают по фазе с теоретическими, но колебания этих смещений только немного меньше теоретических. Существование эфира опровергнуто.
1) все явления природы протекают абсолютно одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
2) С – величина постоянная и не зависит от скорости движения инсточника и приемника света
3) с позиции 2 постулата легко доказать что события одновременны в одной системме отсчета являются неодновременными в другой системе отсчета

Билет

1) Понятие массы, силы, импульса.

Импульс – Произведение массы тела на его скорость.
Масса – это свойство тела, характеризующее его инертность. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее
Сила – это количественная мера взаимодействия тел. Сила является причиной изменения скорости тела. В механике Ньютона силы могут иметь различную физическую причину: сила трения, сила тяжести, упругая сила и т. д. Сила является векторной величиной.

2) Сложение скоростей. Пространственно-временной интервал

При рассмотрении сложного движения (то есть когда точка или тело движется в одной системе отсчёта, а она движется относительно другой) возникает вопрос о связи скоростей в 2 системах отсчёта.
В классической механике абсолютная скорость точки равна векторной сумме её относительной и переносной скоростей:
Данное равенство представляет собой содержание утверждения теоремы о сложении скоростей.
Скорость движения тела относительно неподвижной системы отсчёта равна векторной сумме скорости этого тела относительно подвижной системы отсчета и скорости (относительно неподвижной системы) той точки подвижной системы отсчёта, в которой в данный момент времени находится тело.

Билет

1) Законы Ньютона. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.

Законы Ньютона - три закона, лежащие в основе классической механики и позволяющие записать уравнения движения для любой механической системы, если известны силовые взаимодействия для составляющих её тел.

1) Если на тело не действует внешняя сила, то тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
2) F=ma Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей силе и обратно пропорционально его массе
3) Сила действия равна силе противодействия F1 = - F2

Инерциальная система отсчета (ИСО) - система отсчета, в которой справедлив закон инерции: все свободные тела (то есть такие, на которые не действуют внешние силы или действие этих сил компенсируется) движутся в них прямолинейно и равномерно или покоятся в них. Только в этих системах выполняются законы Ньютона.

Неинерциальная система отсчета - произвольная система отсчета, не являющаяся инерциальной. Всякая система отсчета, движущаяся с ускорением относительно инерциальной, является неинерциальной.

Сила инерции , векторная величина, численно равная произведению массы т материальной точки на ее ускорение w и направленная противоположно ускорению. При криволинейном движении С. и. можно разложить на касательную, или тангенциальную составляющую J t направленную противоположно касательному ускорению w t , и на нормальную, или центробежную составляющуюJ n , направленную вдоль главной нормали к траектории от центра кривизны; численно J t = nw t , J n =mv 2 / r, где v - скорость точки, r - радиус кривизны траектории. При изучении движения по отношению к инерциальной системе отсчёта С. и. вводят для того, чтобы иметь формальную возможность составлять уравнения динамики в форме более простых уравнений

2) Импульс. Закон движения в релятивистской динамике. Энергия, взаимосвязи массы и энергии. Законы сохранения в СТО.

Релятивистский закон сложения скоростей тела и скорости движущейся системы в одном

где u " – скорость движения тела в движущейся системе отсчета; v – скорость движущейся системы K " относительно неподвижной системы K ;
u – скорость тела относительно неподвижной системы отсчета K (рис. 1).

Релятивистское замедление времени Время t 0 , отсчитываемое по часам, покоящимся относительно данного тела, называется собственным временем . Оно всегда меньше времени, измеренного по движущимся часам: t 0 < t .

Релятивистское сокращение длины Поперечные размеры движущегося стержня не изменяются. Линейный размер стержня l 0 в той системе отсчета, где он покоится, называется собственной длиной. Эта длина максимальна: l 0 > l .

Импульс движущегося тела (релятивистский импульс ):

Полная энергия тела или системы тел:

6 Билет
1) Закон сохранения импульса. Центр масс. Движение центра масс.

Закон сохранения импульса - В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения
импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона.

P – Импульс системы; F - равнодействующая всех сил, действующих на частицы системы

Центр масс - геометрическая точка, характеризующая движение тела или системы частиц как целого.
Теорема о движении центре масс (центра инерции) системы - общая проблема динамики. что ускорение центра масс механической системы не зависит от внутренних сил, действующих на тела системы, и связывает это ускорение с внешними силами, действующими на систему. Центр масс движется так, как двигалась бы материальная точка, масса которой равна массе системы, под действием силы, равной сумме всех внешних сил, действующих на систему. ma=(сумма F)

2) Термодинамические параметры. Идеальный и реальный газы. Уравнение состояния идеального и реального газов.

Термодинамическими величинами называют физические величины, применяемые при описании состояний и процессов в термодинамических системах.

1) Температура - физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.
2) Давление - это нормальная к по­верхности (перпендикулярная) сила, действующая на единицу площади: р = F/A.
3) Объём - количественная характеристика пространства, занимаемого телом или веществом. Объём тела или вместимость сосуда определяется его формой и линейными размерами.
4) Энтропия – степень разупорядоченности системы. Самопроизвольно в природе все процессы идут в одну сторону: в сторону роста энтропии. Св-ва (или растет или не меняется; это функция состояния; энтропия системы тел складывается из энтропии тел, входящих в систему; внутренняя энтропия = свободная энергия + связанная энергия)

Идеальный газ – газ в котором можно пренебречь взаимной потенциальной энергией молекул и собственным объемом молекул.
В реальных газах плотность настолько велика, что нельзя пренебречь взаимной потенциальной энергией. Собственный объем молекул тоже играет роль. В качестве эксперимента можно сделать следующее: берем баллон помещаем туда идеальный газ, очень медленно сжимаем. При этом температура должна быть постоянной за счет теплообмена с окружающей средой.
Соотношение между давлением и объемом подчиняется закону Бойля-Мариота. Давление обратно пропорционально объему.
Если увеличить концентрацию, то взаимное притяжение увеличится. Потенциальной энергией нельзя пренебречь
(газ реальный ). Между давлением и объемом нет обратно пропорциональной зависимости.

Билет

1)Момент инерции, момент силы и момент импульса. Теорема Штейнера

Моментом инерции системы относительно оси вращения называется физическая величина, равная сумме произведения масс n материальных точек системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси.
Если известен момент инерции тела относительно оси, проходящей через его центр масс, момент инерции относительно любой другой оси параллельной данной, определяется с помощью теоремы Штейнера: момент инерции тела І относительно параллельной оси вращения равен моменту инерции І с относительно параллельной оси, проходящей через центр масс С тела, сложенному с произведением массы m тела на квадрат расстояния а между осями

Моментом силы относительно неподвижной точки O называется псевдовекторная величина равная векторному произведению радиус-вектора , проведенному из точки O в точку приложения силы, на силу

Модуль момента силы :

Моментом импульса твердого тела относительно неподвижной оси Z называется скалярная величина равная проекции на эту ось вектора момента импульса, определенного относительно произвольной точки O данной оси. Значение момента импульса не зависит от положения точки O на оси Z.

Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частиц.

Момент ипульса - характеризует количество вращательного движения. Момент импульса материальной точки относительно некоторого начала отсчёта определяется векторным произведением её радиус-вектора и импульса:

L=r×p,
где r радиус-вектор частицы относительно выбранного неподвижного в данной системе отсчёта начала отсчёта, p - импульс частицы.

2) Внутренняя энергия идеального и реального газов.

Исходя из определения идеального газа, в нем отсутствует потенциальная составляющая внутренней энергии (отсутствуют силы взаимодействия молекул, кроме ударного). Таким образом, внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию движения его молекул.

Билет

1) Основное уравнение динамики вращательного движения. Закон сохранения момента импульса.

2) Степени свободы молекул. Теорема равнораспределения энергии по степеням свободы.

степеней свободы молекул - число независимых координат, которые необходимо задать, чтобы однозначно определить положение этого объекта относительно рассматриваемой системы отсчета.

а- одноатомной (3), б- двухатомной(5), в- трехатомной(6).

Среднюю кинетическую энергию движения молекулы идеального газа можно определить по формуле: iчисло независимых величин, определенных положением тела в пространстве.

У любого тела при поступательном движении три степени свободы. На каждую степень свободы статистической системы приходится одна и та же энергия, равная . ΣƩ

В этом состоит суть теоремы о равнораспределении тепловой энергии по степеням свободы.

Для одноатомных

Для двухатомных – 2 степени свободы. Колебания степеней свободы совершаются при значительном росте температуры, т.к. ослабевают межатомные связи и усиливаются колебания внутри молекул.

Для самой большого увеличения температуры

Билет

1) Работа постоянной и переменной силы. Кинетическая энергия тела, участвующего в поступательном и вращательном движениях.

Работа постоянной силы. Для характеристики эффективности силового воздействия на тело используется величина, называемая механической работой. Пусть под действием постоянной силы F частица произвольным образом переместилась из положения 1 в положение 2. Работой силы F на перемещении ∆r называется скалярная величина, определяемая следующим соотношением: Работа постоянной силы равняется скалярному произведению силы на перемещение.

Единица измерения работы - Джоуль. 1 Дж = 1 Н·м.
Работа переменной силы

Работа переменной силы. В случае движения под действием переменной силы величина работы рассчитывается следующим образом. Всю траекторию мысленно разбивают на отдельные участки такой малой длины |dr |, что действующую на них силу можно считать постоянной (см. рис. 7.2). Проекция силы на направление вектора элементарного перемещения dr представляет собой ее тангенциальную составляющую. Следовательно, элементарную работу на перемещении dr можно рассчитать с помощью соотношения.

2) Первое начало термодинамики и его применения к изопроцессам. Адиабатический процесс

Изопроцессы - процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров.

Изотермический процесс (T = const, следовательно ΔU = 0).
По первому закону термодинамики: Q = A".
Газ совершает работу A" за счет подводимого тепла Q (A">0, Q>0).
Совершение работы внешними силами A (сжатие газа) требует отвода тепла Q от газа для сохранения его температуры (A>0, Q<0).

Изохорный процесс (V = const, следовательно A = 0).
По первому закону термодинамики: ΔU = Q.
Нагревание газа в закрытом сосуде приводит к увеличению его внутренней энергии U (температуры) (Q>0, ΔU>0).
Охлаждение газа в закрытом сосуде приводит к уменьшению его внутренней энергии U (температуры) (Q<0, ΔU<0).

Изобарный процесс (p = const).
По первому закону термодинамики: Q = ΔU + A".
Подводимое к газу тепло Q частично идет на увеличение внутренней энергии U, а частично на совершение работы газом A" (Q>0, ΔU>0, A">0).
Работа внешних сил A при изобарном сжатии газа требует отвода тепла Q от газа, одновременно уменьшается его внутренняя энергия U (Q<0, ΔU<0, A>0).

Адиабатный процесс - процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой (Q = 0).
По первому закону термодинамики: ΔU = A.
Вся работа внешних сил А идет только на увеличение внутренней энергии газа (A>0, ΔU>0).
Работа газа А" совершается только за счет потери внутренней энергии газа (A">0, ΔU<0).

Билет

1) Потенциальная энергия. Потенциальная энергия сжатой пружины, тела в поле тяготения.

Потенциальная энергия - скалярная физическая величина, представляющая собой часть полной механической энергии системы, находящейся в поле консервативных сил. Зависит от положения материальных точек, составляющих систему, и характеризует работу, совершаемую полем при их перемещении. Другое определение: потенциальная энергия - это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы ] . Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином.

Единицей измерения энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль.

Корректное определение потенциальной энергии может быть дано только в поле сил, работа которых зависит только от начального и конечного положения тела, но не от траектории его перемещения.

Потенциальная энергия тела в поле тяготения Земли вблизи поверхности приближённо выражается формулой:

где - масса тела, - ускорение свободного падения, - высота положения центра масс тела над произвольно выбранным нулевым уровнем.

2) Работа сил тяготения, связь силы и потенциальной энергии. Работа газа в изопроцессах.

Пространство, в котором действуют консервативные силы, называется потенциальным полем. Каждой точке потенциального поля соответствует некоторое значение силы F, действующей на тело, и некоторое значение потенциальной энергии U. Значит, между силой F и U должна быть связь, с другой стороны, dA = –dU, следовательно Fdr=-dU, отсюда:

Проекции вектора силы на оси координат:

Вектор силы можно записать через проекции: , F = –grad U, где .

В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0.

В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением.

Максвелл

В состоянии теплового равновесия, средняя квадратичная скорость молекул в газе, при Т=cоnst, остается постоянной и равной . Это объясняется тем, что в газе, устанавливается некоторое стационарное статистическое распределение молекул по значениям скоростей, называемое распределением Максвелла.

рис.1 рис. 2 Распределение Максвелла описывается некоторой функцией f(u), называемой функ­ци­ей распределения молекул по скоростям. , где N – общее число молекул, dN(u)- число молекул, скорости которых принадлежат интервалу скоростей от u до u + du. Функция Максвелла f(u) равна вероятности того, что величина скорости наугад выбранной молекулы принадлежит единичному интервалу скоростей. Явный вид функции f(u) был получен теоретически Максвеллом . функции распределения-рис.1. Из графика следует, что функция распределения стремится к нулю при u®0 и u®¥ и проходит через максимум при некоторой скорости u В, называемой наиболее вероятной скоростью. Этой скоростью и близкой к ней обладает наибольшее число молекул. Кривая несимметрична относительно u В.Значение наиболее вероятной скорости можно найти, используя условие для максимума функции f(u). .На рис.2 показано смещение u В с измен-ем темп-ры, при этом площадь под графиком остается постоянной и равной 1, что следует из условия нормировки функции Максвелла . Знание функции распределения молекул газа по скоростям позволяет вычислять средние значения любых функций скорости, в частности средней арифметической скорости . .

Больцман

Тепловое движ-е частиц тела приводит к тому, что положение их в пространстве изменяется случайным образом. Поэтому можно ввести функцию распределения частиц по координатам, определяющую вероятность обнаружения частицы в том или ином месте пространства. где -плотность вероятности т.е. вероятность обнаружения частицы в единичном объеме вблизи точки с радиус-вектором r. При отсутствии внешних силовых полей существует равномерное распределение частиц идеального газа по координатам, при этом функция распределения ,где n-концентрация частиц, N-полное число частиц газа.Если внешнее силовое поле является потенциальным, то концентрация частиц вблизи точки пространства с радиус-вектором r , зависит от потенциальной энергии частиц в данном месте. где n o -концентрация частиц в том месте, где E p =0.В этом случае вероятность .Этот закон называется распределением Больцмана . Для идеального газа давление связано с концентрацией соотношением Р=nkT. В поле земного тяготения концентрация изменяется с высотой над поверхностью Земли и, если газ находится в равновесном состоянии при температуре Т, то измен-е давления с высотой происходит по закону .- барометрическая формула .

Распределение Максвелла (распределение молекул газа по скоростям). В равновесном состоянии параметры газа (давле­ние, объем и температура) остаются неизменными, однако микро­состояния - взаимное расположение молекул, их скорости - не­прерывно изменяются. Из-за огромного количества молекул прак­тически нельзя определить значения их скоростей в какой-либо момент, но возможно, считая скорость молекул непрерывной слу­чайной величиной, указать распределение молекул по скоростям.

Выделим отдельную молекулу. Хаотичность движения позволяет, например, для проекции скорости  x молекулы принять нормальный закон распределения. В этом случае, как показал Дж. К. Максвелл, плотность вероятности записывается следующим образом:

где т 0 - масса молекулы, Т - термодинамическая температура газа, k - постоянная Больцмана.

Аналогичные выражения могут быть получены для f ( у ) иf ( z ).

На основании формулы (2.15) можно записать вероятность то­го, что молекула имеет проекцию скорости, лежащую в интервалеот  x до  x + d  х :

аналогично для других осей

Каждое из условий (2.29) и (2.30) отражает независимое событие. Поэтому вероятность того, что молекула имеет скорость, проекции которой одновременно удовлетворяют всем условиям, можно найти по теореме умножения вероятностей [см. (2.6)]:

Используя (2.28), из (2.31) получаем:

Отметим, что из (2.32) можно получить максвелловскую функ­цию распределения вероятностей абсолютных значений скорости (распределение Максвелла по скоростям):

(2.33)

и вероятность того, что скорость молекулы имеет значение, лежа­щее в интервале от  до  + d  :

График функции (2.33) изображен на рисунке 2.5. Скорость, соответствующую максимуму кривой Максвелла, называют наивероятнейшей  в. Ее можно определить, используя условие максимума функции:

или

Среднюю скорость молекулы (математическое ожидание) мож­но найти по общему правилу [см. (2.20)]. Так как определяется среднее значение скорости, то пределы интегрирования берут от 0 до  (математические подробности опущены):

где М = т 0 N A - молярная масса газа, R = k N A - универсальная газовая постоянная, N A - число Авогадро.

При увеличении температуры максимум кривой Максвелла смещается в сторону больших скоростей и распределение молекулпо  видоизменяется (рис. 2.6; Т 1 < Т 2 ). Распределение Максвелла позволяет вычислить число моле­кул, скорости которых лежат в определенном интервале. Полу­чим соответствующую формулу.

Так как общее число N молекул в газе обычно велико, то веро­ятность dP может быть выражена как отношение числа dN моле­кул, скорости которых заключены в некотором интервале d  , к общему числу N молекул:

Из (2.34) и (2.37) следует, что

Формула (2.38) позволяет определить число молекул, скорости которых лежат в интервале от и: до i> 2 . Для этого нужно проинтег­рировать (2.38):

либо графически вычислить площадь криволинейной трапеции в пределах от  1 до  2 (рис. 2.7).

Если интервал скоростей d  достаточно мал, то число молекул, скорости которых соответствуют этому интервалу, может быть рассчитано приближенно по формуле (2.38) или графически как площадь прямоугольника с основаниемd  .

На вопрос, сколько молекул имеют скорость, равную како­му-либо определенному значению, следует странный, на первый взгляд, ответ: если совершенно точно задана скорость, то интер­вал скоростей равен нулю(d  = 0) и из (2.38) получаем нуль, т. е. ни одна молекула не имеет скорости, точно равной наперед задан­ной. Это соответствует одному из положений теории вероятнос­тей: для непрерывной случайной величины, каковой является скорость, невозможно «угадать» совершенно точно ее значение, которое имеет по крайней мере хотя бы одна молекула в газе.

Распределение молекул по скоростям подтверждено различны­ми опытами.

Распределение Максвелла можно рассматривать как распреде­ление молекул не только по скоростям, но и по кинетическим энергиям (так как эти понятия взаимосвязаны).

Распределение Больцмана. Если молекулы находятся в ка­ком-либо внешнем силовом поле, например гравитационном поле Земли, то можно найти распределение по их потенциальным энергиям, т. е. установить концентрацию частиц, обладающих не­которым определенным значением потенциальной энергии.

Распределение частиц по потенциальным энергиям в си­ ловых полях -гравитационном, электрическом и др. -называют распределением Больцмана.

Применительно к гравитационному полю это распределение может быть записано в виде зависимости концентрации п моле­кул от высотыh над уровнем Земли или от потенциальной энер­гии молекулы mgh :

Выражение (2.40) справедливо для частиц идеального газа. Графи­чески эта экспоненциальная зависимость изображена на рис. 2.8.

Такое распределение молекул в поле тяготения Земли можно ка­чественно, в рамках молекулярно-кинетических представлений, объяснить тем, что на молекулы оказывают влияние два противо­положных фактора: гравитационное поле, под действием которого все молекулы притягиваются к Земле, и молекулярно-хаотическоедвижение, стремящееся равномерно разбросать молекулы по всему возможному объему.

В заключение полезно заметить некоторое сходство экспонен­циальных членов в распределениях Максвелла и Больцмана:

В первом распределении в показателе степени отношение кине­тической энергии молекулы к kT , во втором - отношение потен­циальной энергии к kT .