Хаотическое движение во внешнем поле. Распределение больцмана

Найдем закон изменения давления газа в зависимости от высоты над уровнем моря, полагая, что газ идеальный, темпера­тура его постоянна и не изменяется с высотой, ускорение свобод­ного падения не зависит от высоты. Последние два предположе­ния справедливы при относительно небольших изменениях высоты.

Выделим мысленно, на высоте Н над уровнем моря ци­линдрический слой, высота которого dh , а основание равно  S (рис. 8).

где = m 0 gn  S  h - сила притяжения молекул объема  S  h к Земле;

= p  S - сила давле­ния на высоте h ;

= (р + dp )  S - сила давления на высоте h + dh .

Все силы направлены по одной прямой, поэтому

F T + F 2 – F 1 = 0.

сокращая на  S

и учитывая, что
, получим

Разделяя переменные и принимая во внимание, что = const .

(1.2)

- Барометрическая формула (1.2)

;

т.к.
, то

На основе барометрической формулы разработаны приборы- алтиметры- приборы для определения высоты.

1. Закон Больцмана

Пользуясь барометрической формулой

Учитывая, что

р = nkT,

р 0 = n 0 kT,

где п и п 0 - концентрации молекул соответственно на высоте h и h 0

(1. 2 )

Полученное распределение Больцмана справедливо для по­ля тяготения. Однако оно справедливо и для газа, находящегося в любом дру­гом потенциальном поле. При этом величина m 0 gh заменяется на W П - потенциальную энергию молекулы в произвольном силовом поле.

(1. 2 )

Если kT  W п , имеет место почти равномерное распределение частиц по энергиям (распределение Максвела ).

При kT  W п , n  n 0 , т.е. имеет место резкое изменение концентрации молекул в силовом поле: число молекул с небольшими энергиями (на низких энергетических уровнях) значительно превышает число молекул на более высоких энергетических уровнях.

Распределение Больцмана, описываемое функцией (1.37) называется нормальным распределением. В 1905 г. Эйнштейн предсказал существование систем с инверсной заселенностью энергетических уровней. В 1960 г впервые такое распределение использовано практически- в лазерах.

Для характеристики инверсных систем в физике ввели понятие Т  0.

Распределение Максвелла-Больцмана, описывающие распределение молекул по скоростям в силовом поле.

(1.2)

1. Основы термодинамики

1. Общие понятия термодинамики

Термодинамика – раздел физики, в котором изучаются физические превращения различных видов энергии, теплоты и работы. (Теория тепловых явлений, в которой не учитывается атомно-молекулярное строение тел).

Совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами называется термодинамической системой .

Если взаимодействие с телами не входящими в систему отсутствует, то система называется изолированной.

Совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы, называется термодинамическими параметрами .

Любые изменения, происходящие в термодинамической системе, называют термодинамическим процессом .

Произвольная термодинамическая система обладает полной энергией Е, складывающейся из:

а) кинетической энергии Е к механического движения системы как целого;

б) потенциальной энергии системы Е п во внешних силовых полях (гравитационном, электромагнитном);

в) внутренней энергии U . Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме потенциальных энергий взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетических энергий их беспорядочного теплового движения.

Е = Е к + Е п + U

В термодинамике внутренняя энергия U определяется как однозначная функция его макроскопических параметров, например Т и V , т.е. в каждом состоянии система обладает вполне определенной внутренней энергией.

При переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии определяется только разностью значений внутренних энергий в этих состояниях и не зависит от пути перехода.

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории предполагалось, что если на молекулы газа не действуют внешние силы, то 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 концентрация молекул газа и его давление с высотой убывают. Выведем закон изменения давления газа с высотой, предполагая при этом, что поле тяготения однородно, температура постоянна и масса всех молекул одинакова. Если атмосферное давление на высоте hравно р, то на высотеh+dhоно равно р +dp(рис.1.2). Приdh> 0,dр < 0, т.к. давление с высотой убывает. Разность давлений р и (р +dр) равна гидростатическому давлению столба газа авсd, заключенного в объеме цилиндра высотойdhи площадью с основанием равным единице. Это запишется в следующем виде:p- (p+dp) =gρdh, -dp=gρdhилиdp= ‑gρdh, гдеρ– плотность газа на высотеh. Воспользуемся уравнением состояния идеального газа рV=mRT/Mи выразим плотностьρ=m/V=pM/RT. Подставим это выражение в формулу дляdр:

dp= -pMgdh/RTилиdp/p= -Mgdh/RT

Интегрирование данного уравнения дает следующий результат:
Здесь С – константа и в данном случае удобно обозначить постоянную интегрирования черезlnC. Потенцируя полученное выражение, находим, что

При условии h=0 получим, что С=р 0 , где р 0 -давление на высотеh=0.

Д
анное выражение называется барометрической формулой. Она позволяет найти атмосферное давление в зависимости от высоты, или высоту, если известно давление.

Зависимость давления от высоты демонстрирует рисунок 1.3. Прибор для определения высоты над уровнем моря называется высотомером или альтиметром. Он представляет собой барометр, проградуированный в значениях высоты.

1. 5. Закон Больцмана о распределении частиц во внешнем потенциальном поле. @

Если воспользоваться выражением р = nkT, то можно привести барометрическую формулу к виду:

з
десьn– концентрация молекул на высотеh,n 0 – то же у поверхности Земли. Так как М =m 0 N A , гдеm 0 – масса одной молекулы, аR=kN A , то мы получим П =m 0 gh– это потенциальная энергия одной молекулы в поле тяготения. ПосколькуkT~‹ε пост ›, то концентрация молекул на определенной высоте зависит от соотношения П и ‹ε пост ›

Полученное выражение называется распределением Больцмана для внешнего потенциального поля. Из него следует, что при постоянной температуре плотность газа (с которой связана концентрация) больше там, где меньше потенциальная энергия его молекул.

1. 6. Распределение Максвелла молекул идеального газа по скоростям. @

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории отмечалось, что молекулы имеют различные скорости. В результате многократных соударений скорость каждой молекулы меняется со временем по модулю и по направлению. Из-за хаотичности теплового движения молекул все направления являются равновероятными, а средняя квадратичная скорость остается постоянной. Мы можем записать

Постоянство ‹υ кв › объясняется тем, что в газе устанавливается стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям, которое подчиняется определенному статистическому закону. Этот закон теоретически был выведен Д.К.Максвеллом. Он рассчитал функциюf(), называемую функцией распределения молекул по скоростям. Если разбить диапазон всех возможных скоростей молекул на малые интервалы, равныеd, то на каждый интервал скорости будет приходиться некоторое число молекулdN(), имеющих скорость, заключенную в этом интервале (Рис.1.4.).

Функция f(v) определяет относительное число молекул, скорости которых лежат в интервале от  до + d. Это число - dN()/N= f()d.Применяя методы теории вероятностей, Максвелл нашел вид для функции f()

Данное выражение - это закон о распределении молекул идеального газа по скоростям.Конкретный вид функции зависит от рода газа, массы его молекул и температуры (рис.1.5). Функция f()=0 при =0 и достигает максимума при некотором значении  в, а затем асимптотически стремится к нулю. Кривая несимметрична относительно максимума. Относительное число молекул dN()/N, скорости которых лежат в интервале d и равное f()d, находится как площадь заштрихованной полоски основанием dv и высотой f(), показанной на рис.1.4. Вся площадь, ограниченная кривой f() и осью абсцисс равна единице, потому что, если просуммировать все доли молекул, имеющих всевозможные значения скорости, то получается единица. Как показано на рис.1.5, с ростом температуры кривая распределения смещается вправо, т.е. растет число быстрых молекул, но площадь под кривой остается постоянной, т.к. N = const.

Скорость  в, при которой функция f() достигает максимума, называется наиболее вероятной скоростью. Из условия равенства нулю первой производной функцииf(v) ′ = 0 следует, что

Н
а рисунке 1.4. отмечена еще одна характеристика – средняя арифметическая скорость молекулы. Она определяется по формуле:

Опыт, проведенный немецким физиком О.Штерном, экспериментально подтвердил справедливость распределения Максвелла (рисунок 1.5.). Прибор Штерна состоит из двух коаксиальных цилиндров. Вдоль оси внутреннего цилиндра со щелью проходит платиновая проволока, покрытая слоем серебра. Если пропустить по проволоке ток,она нагревается и серебро испаряется. Атомы серебра, вылетая через щель, попадают на внутреннюю поверхность второго цилиндра. Если прибор будет вращаться, то атомы серебра осядут не против щели, а сместятся от точки О на некоторое расстояние. Исследование количество осадка позволяет оценить распределение молекул по скоростям. Оказалось, что распределение соответствует максвелловскому.

Пусть идеальный газ находится в каком-либо силовом поле, например, в поле тяжести. Так как на молекулы газа в этом случае действуют внешние силы, то давление газа не будет всюду одинаковым, а будет меняться от точки к точке.

В простейшем случае силы поля имеют неизменное направление, характеризуемое осью z. Пусть две площадки единичной площади ориентированы перпендикулярно оси z и находятся друг от друга на расстоянии dz. Если давления газа на обеих площадках равны р и p + dp, то разность давлений должна, очевидно, равняться суммарной силе, действующей на частицы газа, заключенные в объеме параллелепипеда с единичным основанием и высотой dz . Эта сила равна Fn dz , где n – плотность молекул (т. е. их число в единице объема), a F – сила, действующая на одну молекулу в точке с координатой z . Поэтому

dp = nF dz .

Сила F связана с потенциальной энергией U(z) молекулы соотношением F = - dU/dz, так что

dp = – n dz dU /dz = – n dU .

Так как газ предполагается идеальным, то p = nkT . Если температура газа в различных точках одинакова, то

dp = kT dn .

Разность давлений dp в обоих случаях определяется разностью высот. Поэтому

и окончательно

Здесь n 0 – постоянная, представляющая собой плотность молекул в точке, где U = 0.

Полученная формула, связывающая изменение плотности газа с потенциальной энергией его молекул, называется формулой Больцмана. Давление отличается от плотности постоянным множителем kT , поэтому такое же уравнение справедливо и для давления

В случае поля тяжести вблизи земной поверхности потенциальная энергия молекулы на высоте z равна U = mgz , где m – масса молекулы. Поэтому, если считать температуру газа не зависящей от высоты, то давление р на высоте z будет связано с давлением р 0 на поверхности Земли соотношением

Эту формулу называют барометрической формулой. Ее удобнее представить в виде

где m – молекулярный вес газа, R – газовая постоянная.

Эту формулу можно применять и в случае смеси газов. Поскольку молекулы идеальных газов практически не взаимодействуют друг с другом, каждый газ можно рассматривать отдельно, т. е. аналогичная формула применима к парциальному давлению каждого из них. Чем больше молекулярный вес газа, тем быстрее его давление убывает с высотой. Поэтому атмосфера по мере увеличения высоты все более обогащается легкими газами: кислород, например, убывает в атмосфере быстрее, чем азот.

Следует, однако, иметь в виду, что применимость барометрической формулы к реальной атмосфере весьма ограничена, поскольку атмосфера в действительности не находится в тепловом равновесии и ее температура меняется с высотой.

Из формулы Больцмана можно сделать интересное заключение, если попытаться применить ее к атмосфере на любых расстояниях от Земли. На очень больших расстояниях от земной поверхности под U нужно понимать не mgz , a точное значение потенциальной энергии частицы

где g – гравитационная постоянная, М – масса Земли и r – расстояние от центра Земли. Справедливость этого выражения легко проверить дифференцированием по расстоянию (F = - dU/dr) и последующим сравнением с законом всемирного тяготения. Подстановка этой энергии в формулу Больцмана дает следующее выражение для плотности газа:

где через n ¥ теперь обозначена плотность газа в месте, где U =0 (т. е. на бесконечном расстоянии от Земли). Если r равен радиусу Земли R , получится соотношение между плотностью атмосферы на поверхности Земли n 0 и на бесконечности n ¥ :

Согласно этой формуле плотность атмосферы на бесконечно большом расстоянии от Земли должна была бы быть отлична от нуля. Такой вывод, однако, абсурден, так как атмосфера имеет земное происхождение, и конечное количество газа не может быть распределено по бесконечному объему с нигде не исчезающей плотностью. Полученный вывод объясняется тем, что атмосфера предполагалась находящейся в состоянии теплового равновесия, что не соответствует действительности.

Данный результат показывает, что гравитационное поле вообще не может удержать газ в состоянии равновесия, а потому атмосфера должна непрерывно рассеиваться в пространстве. В случае Земли это рассеяние чрезвычайно медленно, и за все время своего существования Земля не потеряла сколько-нибудь заметной доли своей атмосферы. Но, например, в случае Луны с ее гораздо более слабым полем тяготения потеря атмосферы происходила гораздо быстрее, и в результате Луна в настоящее время атмосферы уже не имеет.

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов предполагается, что молекулы распределены по объему равномерно. Это возможно только при отсутствии внешних сил. На самом деле в земных условиях молекулы испытывают на себе действие поля тяжести, т. е. находятся во внешнем потенциальном поле. В результате действия двух факторов, поля тяжести и теплового движения, в газе устанавливается некоторое распределение молекул по высоте.

Найдем закон, описывающий зависимость давления газа от высоты над поверхностью земли. Известно, что гидростатическое давление жидкости на глубине h равно

где - плотность жидкости. Поскольку жидкости мало сжимаемы, можно считать их плотность практически независящей от глубины. Газы, в отличие от жидкостей, довольно легко сжимаемы, поэтому их плотность существенно зависит от высоты. Но и для газов можно пользоваться подобной формулой, если перепад высот небольшой. Предполагая, что высота h точки наблюдения от поверхности земли получила элементарное приращение dh, получим приращение давления

.

Из уравнения Клапейрона-Менделеева выразим плотность

.

, .

Интегрируя в предположении, что температура не зависит от высоты, получим так называемую барометрическую формулу :

,

где p 0 , p - давление у поверхности земли и на высоте h соответственно.

Аналогичная формула получается для зависимости концентрации молекул от высоты. Т.к. n~p, получаем, что

.

Показатель экспоненты можно представить в виде

,

где - потенциальная энергия молекулы в поле тяжести Земли. Используя это выражение, получим, что

.

Больцман показал, что эта формула является универсальной, описывающей распределение частиц по значениям потенциальной энергии в любом внешнем потенциальном поле. Это соотношение называют законом распределения Больцмана .

Средняя длина свободного пробега молекул.

Длина свободного пробега молекулы - это среднее расстояние (обозначаемое ), которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего.

Длина свободного пробега каждой молекулы различна, поэтому в кинетической теории вводится понятие средней длины свободного пробега (<λ>). Величина <λ> является характеристикой всей совокупности молекул газа при заданных значениях давления и температуры.

Формула

Где - эффективное сечение молекулы, - концентрация молекул.

Явления переноса в газах.

• Распространение молекул примеси в газе от источника называется диффузией .

В состоянии равновесия температура Т и концентрация n во всех точках системы одинакова. При отклонении плотности от равновесного значения в некоторой части системы возникает движение компонент вещества в направлениях, приводящих к выравниванию концентрации по всему объему системы. Связанный с этим движением перенос вещества обусловлен диффузией . Диффузионный поток будет пропорционален градиенту концентрации:

.

• Если какое-либо тело движется в газе, то оно сталкивается с молекулами газа и сообщает им импульс. С другой стороны, тело тоже будет испытывать соударения со стороны молекул, и получать собственный импульс, но направленный в противоположную сторону. Газ ускоряется, тело тормозится, то есть на тело действуют силы трения. Такая же сила трения будет действовать и между двумя соседними слоями газа, движущимися с разными скоростями. Это явление носит название внутреннее трение или вязкость газа , причём сила трения пропорциональна градиенту скорости:

• В состоянии равновесия в среде, содержащей заряженные частицы, потенциал электрического поля в каждой точке соответствует минимуму энергии системы. При наложении внешнего электрического поля возникает неравновесное движение электрических зарядов в таком направлении, чтобы минимизировать энергию системы в новых условиях. Связанный с этим движением перенос электрического заряда называется электропроводностью , а само направленное движение зарядов - электрическим током.

В процессе диффузии при теплопроводности и электропроводности происходит перенос вещества, а при внутреннем трении – перенос энергии. В основе этих явлений лежит один и тот же механизм – хаотическое движение молекул. Общность механизма, обуславливающего все эти явления переноса, приводит к тому, что их закономерности должны быть похожи друг на друга.

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории и закона распределения Максвелла предполагалось, что на молекулы не действуют никакие внешние силы. Поэтому можно было считать, что молекулы равномерно распределены по объему сосуда.

Фактически же молекулы любого газа всегда находятся в поле тяготения Земли. Если бы не было теплового движения молекул атмосферного воздуха, то все они упали бы на Землю. Если бы не было тяготения, то атмосферный воздух рассеялся бы по всей Вселенной. Таким образом, тяготение и тепловое движение приводят газ в состояние, при котором его давление и концентрация молекул зависят от высоты.

Формула зависимости атмосферного давления от высоты над уровнем Земли получила название барометрической формулы. Для вывода барометрической формулы введем некоторые допущения:

Ускорение свободного падения считаем практически постоянным и не зависящим от высоты, так как атмосферное давление становится пренебрежительно малым уже на высоте 100-200 км, гораздо меньшей по сравнению с радиусом Земли;

Температуру воздуха считаем не зависящей от высоты.

Атмосферное давление обусловлено весом вышележащих слоев газа. Выделим мысленно вертикальный столб воздуха (рис. 18.1) с площадью основания S .

Пусть на высоте h давление газа равно p , а на высоте (h+dh ) давление равно (p+dp ). Так как давление с увеличением высоты падает, то его приращение будет отрицательным (dp < 0).

Разность давлений p и (p+dp ) равна весу газа, заключенного в столбе высотой dh, деленной на площадь S, то есть

, (18.1)

где  - плотность воздуха на высота h .

Заменив в этом уравнении плотность  по формуле, полученной с помощью уравнения Клапейрона-Менделеева (14.1):

запишем выражение (18.1) в виде

. (18.2)

Полагая T=const (в соответствии с принятыми допущениями) и интегрируя уравнение (18.2) по высоте от 0 до h , получим

,

откуда находим

, (18.3)

где p 0 - давление на высоте h = 0.

Выражение (18.3) носит название барометрической формулы. Из нее следует, что давление газа убывает с ростом высоты тем быстрее, чем тяжелее газ (чем больше  ) и чем ниже температура. На рис.18.2 изображены две зависимости вида (18.3), соответствующие двум газам с разными молярными массами  1 и  2 при T=const (давление p 0 для h=0 у обоих газов принято условно одинаковым).

Сравнение этих зависимостей показывает, что более тяжелые газы будут располагаться ближе к поверхности Земли (поэтому в нижних слоях атмосферы относительное количество кислорода больше, чем азота, а в верхних - наоборот). Выражение (18.3), преобразованное к виду

(18.4)

лежит в основе принципа работы авиационных высотомеров (альтиметров): измеряя с помощью барометра давление, эти приборы показывают значение высоты над уровнем моря.

Из формулы (18.3) можно получить соотношение между концентрациями газа на различной высоте, подставив в нее уравнение состояния газа в форме (15.26):

. (18.5)

Заменив отношение  / R для однородного газа на отношение m/k (m - масса молекулы) и сократив обе части равенства на k Т , получим

, (18.6)

где n 0 - концентрация молекул газа при h =0.

Из выражения (18.6) следует, что чем тяжелее газ (больше m ) и чем меньше его температура Т , тем больше концентрация молекул у поверхности Земли по сравнению с концентрацией на некоторой высоте (преобладание тяготения Земли над тепловым движением молекул). И наоборот, чем легче газ и больше его температура, тем более тепловое движение молекул преобладает над тяготением и концентрация медленно убывает с ростом высоты.

На рис.18.3 изображены две зависимости вида (18.6) для некоторого одного газа при двух разных температурах (T 2 >T 1 ).

Сравнение этих зависимостей показывает, что чем меньше температура газа, тем большая неоднородность наблюдается в распределении концентрации молекул газа по высоте.

Произведение mgh в уравнении (18.6) представляет собой потенциальную энергию W n одной молекулы в поле тяготения Земли. Следовательно, распределение молекул по высоте является вместе с тем и распределением их по значениям

потенциальной энергии:

. (18.7)

Австрийский физик Л. Больцман доказал, что формула (18.7) справедлива для любой совокупности одинаковых частиц, находящихся в состоянии хаотического теплового движения в потенциальном поле любой природы. В связи с этим функцию (18.7) называют распределением Больцмана. Таким образом, распределение (18.6) является частным случаем более общего распределения (18.7). Между распределением Максвелла (17.6) и Больцмана (18.7) имеется большое сходство: и в том и в другом распределении в показателе степени экспоненты стоит отношение энергии молекулы (в одном случае потенциальной, а в другом кинетической) к величине кТ , определяющей среднюю кинетическую энергию теплового хаотического движения.

Распределения (17.6) и (18.7) могут быть объединены в одно распределение Максвелла-Больцмана , согласно которому число молекул, компоненты скоростей которых лежат в пределах от
до ,а координаты в пределах от
до равно

где
.

Из формулы (18.8) следует, что
определяется полной энергий молекулы
.

Таким образом, в состоянии с постоянной температурой скорости молекул в каждой точке пространства распределены по закону Максвелла. Влияние силового поля сказывается только на изменении концентрации молекул от точки к точке.