麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ (英語 えいご :Maxwell–Boltzmann distribution )是 ぜ 一个描述一定温度下微观粒子运动速度的概 がい 率 りつ 分布 ぶんぷ ,在 ざい 物理 ぶつり 学 がく 和 わ 化学 かがく 中有 ちゅうう 应用。最 さい 常 つね 见的应用是 ぜ 统计力学 りきがく 的 てき 领域。任 にん 何 なに (宏 ひろし 观)物理 ぶつり 系 けい 统的温度 おんど 都 と 是 ぜ 组成该系统的分子 ぶんし 和 わ 原子 げんし 的 てき 运动 的 てき 结果。这些粒子 りゅうし 有 ゆう 一个不同速度的范围,而任何 なん 单个粒子 りゅうし 的 てき 速度 そくど 都 と 因 いん 与 あずか 其它粒子 りゅうし 的 てき 碰撞 而不断 ふだん 变化。然 しか 而,对于大量 たいりょう 粒 つぶ 子来 こらい 说,处于一个特定的速度范围的粒子所占的比例却几乎不变,如果系 けい 统处于或接近 せっきん 处于平衡 へいこう 。麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 具体 ぐたい 说明了 りょう 这个比例 ひれい ,对于任 にん 何 なん 速度 そくど 范围,作 さく 为系统的温度 おんど 的 てき 函数 かんすう 。它以詹姆斯·麦 むぎ 克 かつ 斯韦 和 わ 路 みち 德 とく 维希·玻尔兹曼命名 めいめい 。
这个分布 ぶんぷ 可 か 以视为一个三 さん 维向 むかい 量 りょう 的 てき 大小 だいしょう ,它的分量 ぶんりょう 是 ぜ 独立 どくりつ 和 わ 正 せい 态分布 ぶんぷ 的 てき ,其期望 もち 值为0,标准差 さ 为
a
{\displaystyle a}
。如果
X
i
{\displaystyle X_{i}}
的 てき 分布 ぶんぷ 为
X
∼
N
(
0
,
a
2
)
{\displaystyle \ X\sim N(0,a^{2})}
,那 な 么
Z
=
X
1
2
+
X
2
2
+
X
3
2
{\displaystyle Z={\sqrt {X_{1}^{2}+X_{2}^{2}+X_{3}^{2}}}}
就呈麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ ,其参数 すう 为
a
{\displaystyle a}
。
麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 的 てき 物理 ぶつり 应用[ 编辑 ]
麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 形成 けいせい 了 りょう 分子 ぶんし 运动论的 てき 基 もと 础,它解释了许多基本 きほん 的 てき 气体 性 せい 质,包括 ほうかつ 压强 和 わ 扩散 。麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 通常 つうじょう 指 ゆび 气体中 ちゅう 分子 ぶんし 的 てき 速 そく 率 りつ 的 てき 分布 ぶんぷ ,但 ただし 它还可 か 以指分子 ぶんし 的 てき 速度 そくど 、动量,以及动量的 てき 大小 だいしょう 的 てき 分布 ぶんぷ ,每 まい 一个都有不同的概率分布函数,而它们都是 ぜ 联系在 ざい 一 いち 起 おこり 的 てき 。
麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 可 か 以用统计力学 りきがく 来 らい 推导(参 まいり 见麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼统计 )。它对应于由 よし 大量 たいりょう 不 ふ 相互 そうご 作用 さよう 的 てき 粒子 りゅうし 所 しょ 组成、以碰撞为主 ぬし 的 てき 系 けい 统中最 さい 有 ゆう 可能 かのう 的 てき 速 そく 率 りつ 分布 ぶんぷ ,其中量子 りょうし 效 こう 应可以忽略 りゃく 。由 よし 于气体 たい 中 ちゅう 分子 ぶんし 的 てき 相互 そうご 作用 さよう 一般都是相当小的,因 いん 此麦克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 提供 ていきょう 了 りょう 气体状 じょう 态的非常 ひじょう 好 このみ 的 てき 近似 きんじ 。
在 ざい 许多情 たじょう 况下(例 れい 如非 ひ 弹性碰撞 ),这些条件 じょうけん 不 ふ 适用。例 れい 如,在 ざい 电离层 和 かず 空 そら 间等 とう 离子体 たい 的 てき 物理 ぶつり 学 がく 中 ちゅう ,特 とく 别对电子而言,重 じゅう 组和碰撞激 げき 发(也就是 ぜ 辐射过程)是 ぜ 重要 じゅうよう 的 てき 。如果在 ざい 这个情 じょう 况下应用麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ ,就会得 えとく 到 いた 错误的 てき 结果。但 ただし 如果系統 けいとう 在 ざい 恆溫 こうおん 槽 そう 中 ちゅう 且處於熱 ねつ 力學 りきがく 平衡 へいこう ,即 そく 使 つかい 發生 はっせい 非 ひ 彈性 だんせい 碰撞,其以熱 ねつ 的 てき 形式 けいしき 失 しつ 去 さ 的 てき 動 どう 能 のう 仍然可 か 由 よし 恆溫 こうおん 槽 そう 再 さい 以熱的 てき 形式 けいしき 補償 ほしょう 回 かい 來 らい ,使 つかい 得 とく 麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 依然 いぜん 適用 てきよう 。另外一个不适用麦克斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 的 てき 情 じょう 况,就是当 とう 气体的 てき 量子 りょうし 熱 ねつ 波長 はちょう 与 あずか 粒子 りゅうし 之 の 间的距离相 しょう 比 ひ 不 ふ 够小时,由 ゆかり 于有显著的 てき 量子 りょうし 效 こう 应也不能 ふのう 使用 しよう 麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 。另外,由 ゆかり 于它是 ぜ 基 もと 于非 ひ 相 あい 对论的 てき 假 かり 设,因 いん 此麦克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 不能 ふのう 做出分子 ぶんし 的 てき 速度 そくど 大 だい 于光速 こうそく 的 てき 概 がい 率 りつ 为零的 てき 预言。
麦 むぎ 克 かつ 斯韦最初 さいしょ 的 てき 推导假 かり 设了三个方向上的表现都相同,但 ただし 后 きさき 来 らい 在 ざい 玻尔兹曼 的 てき 一 いち 个推导中利用 りよう 分子 ぶんし 运动论去 さ 掉了这个假 かり 设。现在,麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 可 か 以轻易 えき 地 ち 从能量的 りょうてき 玻尔兹曼分布 ぶんぷ 推出:
N
i
N
=
g
i
exp
(
−
E
i
/
k
T
)
∑
j
g
j
exp
(
−
E
j
/
k
T
)
(
1
)
{\displaystyle {\frac {N_{i}}{N}}={\frac {g_{i}\exp \left(-E_{i}/kT\right)}{\sum _{j}^{}g_{j}\,{\exp \left(-E_{j}/kT\right)}}}\qquad \qquad (1)}
其中N i 是 ぜ 平衡 へいこう 温度 おんど T 时,处于状 じょう 态 i 的 てき 粒子 りゅうし 数 すう 目 もく ,具有 ぐゆう 能 のう 量 りょう E i 和 かず 简并度 ど gi ,N 是 ぜ 系 けい 统中的 てき 总粒子 りゅうし 数 すう 目 もく ,k 是 これ 玻尔兹曼常数 じょうすう 。(注意 ちゅうい 有 ゆう 时在上面 うわつら 的 てき 方 かた 程 ほど 中 ちゅう 不 ふ 写 うつし 出 で 简并度 ど g i 。在 ざい 这个情 じょう 况下,指 ゆび 标i 将 はた 指定 してい 了 りょう 一 いち 个单态,而不是 ぜ 具有 ぐゆう 相 しょう 同 どう 能 のう 量 りょう E i 的 てき g i 的 てき 多重 たじゅう 态。)由 ゆかり 于速度 そくど 和 わ 速 そく 率 りつ 与能 よのう 量 りょう 有 ゆう 关,因 いん 此方 こちら 程 ほど 1可 か 以用来 らい 推出气体的 てき 温度 おんど 和 わ 分子 ぶんし 的 てき 速度 そくど 之 の 间的关系。这个方 かた 程 ほど 中 なか 的 てき 分母 ぶんぼ 称 しょう 为正则配分 はいぶん 函数 かんすう 。
动量向 こう 量的 りょうてき 分布 ぶんぷ [ 编辑 ]
下 しも 列 れつ 所 しょ 述 じゅつ 的 てき 推导,与 あずか 詹姆斯·克 かつ 拉 ひしげ 克 かつ ·麦 むぎ 克 かつ 斯韦 描述的 てき 推导和 わ 后 きさき 来由 らいゆ 路 みち 德 とく 维希·玻尔兹曼 描述的 てき 具有 ぐゆう 较少假 かり 设的推导都 と 有 ゆう 很大不同 ふどう 。它与玻尔兹曼在 ざい 1877年 ねん 的 てき 探 さがせ 讨比较接近 せっきん 。
对于“理想 りそう 气体”(由 ゆかり 基 もと 态的非 ひ 相互 そうご 作用 さよう 原子 げんし 所 しょ 组成)的 てき 情 じょう 况,所 しょ 有能 ゆうのう 量 りょう 都 と 是 ぜ 动能的 てき 形式 けいしき 。宏 ひろし 观粒子 りゅうし 的 てき 动能与 あずか 动量的 てき 关系为:
E
=
p
2
2
m
(
2
)
{\displaystyle E={\frac {p^{2}}{2m}}\qquad \qquad (2)}
其中p 2 是 ぜ 动量向 むこう 量 りょう p = [p x , p y , p z ]的 てき 平方 へいほう 。因 よし 此,我 わが 们可以把方 かた 程 ほど 1写 うつし 成 なり :
N
i
N
=
1
Z
exp
[
−
p
x
2
+
p
y
2
+
p
z
2
2
m
k
T
]
(
3
)
{\displaystyle {\frac {N_{i}}{N}}={\frac {1}{Z}}\exp \left[-{\frac {p_{x}^{2}+p_{y}^{2}+p_{z}^{2}}{2mkT}}\right]\qquad \qquad (3)}
其中Z 是 これ 配分 はいぶん 函数 かんすう ,对应于方程 ほど 1中 ちゅう 的 てき 分母 ぶんぼ 。在 ざい 这里,m 是 ぜ 气体的 てき 分子 ぶんし 质量,T 是 ぜ 热力学 がく 温度 おんど ,k 是 これ 玻尔兹曼常数 じょうすう 。这个N i /N 的 てき 分布 ぶんぷ 与 あずか 找到具有 ぐゆう 这些动量分量 ぶんりょう 值的分子 ぶんし 的 てき 概 がい 率 りつ 密度 みつど 函数 かんすう f p 成 なり 正 せい 比 ひ ,因 いん 此:
f
p
(
p
x
,
p
y
,
p
z
)
=
c
Z
exp
[
−
p
x
2
+
p
y
2
+
p
z
2
2
m
k
T
]
.
(
4
)
{\displaystyle f_{\mathbf {p} }(p_{x},p_{y},p_{z})={\frac {c}{Z}}\exp \left[-{\frac {p_{x}^{2}+p_{y}^{2}+p_{z}^{2}}{2mkT}}\right].\qquad \qquad (4)}
歸一 きいつ 化 か 常數 じょうすう c 可 か 以通过认识到分子 ぶんし 具有 ぐゆう 任 にん 何 なに 动量的 てき 概 がい 率 りつ 必须为1来 らい 决定。因 よし 此,方 ぽう 程 ほど 4在 ざい 所有 しょゆう p x 、p y 和 わ p z 上 うえ 的 てき 积分必须是 ぜ 1。
可 か 以证明 あきら :
c
=
Z
(
2
π ぱい
m
k
T
)
3
/
2
.
(
5
)
{\displaystyle c={\frac {Z}{(2\pi mkT)^{3/2}}}.\qquad \qquad (5)}
把 わ 方 かた 程 ほど 5代 だい 入方 いりがた 程 ほど 4,得 とく 出 で :
f
p
(
p
x
,
p
y
,
p
z
)
=
(
1
2
π ぱい
m
k
T
)
3
/
2
exp
[
−
p
x
2
+
p
y
2
+
p
z
2
2
m
k
T
]
.
(
6
)
{\displaystyle f_{\mathbf {p} }(p_{x},p_{y},p_{z})=\left({\frac {1}{2\pi mkT}}\right)^{3/2}\exp \left[-{\frac {p_{x}^{2}+p_{y}^{2}+p_{z}^{2}}{2mkT}}\right].\qquad \qquad (6)}
可 か 以看出 で ,这个分布 ぶんぷ 是 ぜ 三 さん 个独立 どくりつ 、呈 てい 正 せい 态分布 ぶんぷ 的 てき 变量
p
x
{\displaystyle p_{x}}
、
p
y
{\displaystyle p_{y}}
和 わ
p
z
{\displaystyle p_{z}}
的 てき 乘 じょう 积,其方差 さ 为
m
k
T
{\displaystyle mkT}
。此外,可 か 以看出 で 动量的 てき 大小 だいしょう 呈 てい 麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ ,其中
a
=
m
k
T
{\displaystyle a={\sqrt {mkT}}}
。
能 のう 量的 りょうてき 分布 ぶんぷ [ 编辑 ]
利用 りよう p ² = 2mE ,以及动量的 てき 大小 だいしょう 的 てき 分布 ぶんぷ 函数 かんすう (参 まいり 见以下 か 速 そく 率 りつ 分布 ぶんぷ 的 てき 章 あきら 节),我 わが 们便得 とく 出 で 能 のう 量的 りょうてき 分布 ぶんぷ :
f
E
d
E
=
f
p
(
d
p
d
E
)
d
E
=
2
E
π ぱい
(
k
T
)
3
exp
[
−
E
k
T
]
d
E
.
(
7
)
{\displaystyle f_{E}\,dE=f_{p}\left({\frac {dp}{dE}}\right)\,dE=2{\sqrt {\frac {E}{\pi (kT)^{3}}}}~\exp \left[{\frac {-E}{kT}}\right]\,dE.\qquad \qquad (7)}
由 よし 于能量 りょう 与 あずか 三个呈正态分布的动量分量的平方和成正比,因 いん 此这个分布 ぶんぷ 是 ぜ 具有 ぐゆう 三 さん 个自由 じゆう 度 ど 的 てき 卡方分布 ぶんぷ :
f
E
(
E
)
d
E
=
χ かい
2
(
x
;
3
)
d
x
{\displaystyle f_{E}(E)\,dE=\chi ^{2}(x;3)\,dx}
其中
x
=
2
E
k
T
.
{\displaystyle x={\frac {2E}{kT}}.\,}
麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 还可以通过把气体视为量子 りょうし 气体来 らい 获得。
速度 そくど 向 こう 量的 りょうてき 分布 ぶんぷ [ 编辑 ]
认识到速度 そくど 的 てき 概 がい 率 りつ 密度 みつど 函数 かんすう f v 与 あずか 动量的 てき 概 がい 率 りつ 密度 みつど 函数 かんすう 成 なり 正 せい 比 ひ :
f
v
d
3
v
=
f
p
(
d
p
d
v
)
3
d
3
v
{\displaystyle f_{\mathbf {v} }d^{3}v=f_{\mathbf {p} }\left({\frac {dp}{dv}}\right)^{3}d^{3}v}
并利用 りよう p = mv ,我 わが 们便得 え 到 いた :
f
v
(
v
x
,
v
y
,
v
z
)
=
(
m
2
π ぱい
k
T
)
3
/
2
exp
[
−
m
(
v
x
2
+
v
y
2
+
v
z
2
)
2
k
T
]
,
{\displaystyle f_{\mathbf {v} }(v_{x},v_{y},v_{z})=\left({\frac {m}{2\pi kT}}\right)^{3/2}\exp \left[-{\frac {m(v_{x}^{2}+v_{y}^{2}+v_{z}^{2})}{2kT}}\right],\qquad \qquad }
这就是 ぜ 麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼速度 そくど 分布 ぶんぷ 。在 ざい 速度 そくど 相 あい 空 そら 间 (v x , v y , v z )的 てき 一块无穷小区域[dv x , dv y , dv z ]内 ない 找到具有 ぐゆう 特定 とくてい 速度 そくど v = [v x , v y , v z ]的 てき 气体分子 ぶんし 的 てき 几率为
f
v
(
v
x
,
v
y
,
v
z
)
d
v
x
d
v
y
d
v
z
.
{\displaystyle f_{\mathbf {v} }\left(v_{x},v_{y},v_{z}\right)\,dv_{x}\,dv_{y}\,dv_{z}.}
像 ぞう 动量一 いち 样,这个分布 ぶんぷ 是 ぜ 三 さん 个独立 どくりつ 、呈 てい 正 せい 态分布 ぶんぷ 的 てき 变量
v
x
{\displaystyle v_{x}}
、
v
y
{\displaystyle v_{y}}
和 わ
v
z
{\displaystyle v_{z}}
的 てき 乘 じょう 积,但 ただし 方 かた 差 さ 为
k
T
m
{\displaystyle {\frac {kT}{m}}}
。还可以看出 で ,对于速度 そくど 向 むこう 量 りょう [v x , v y , v z ],麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼速度 そくど 分布 ぶんぷ 是 ぜ 三个方向上的分布的乘积:
f
v
(
v
x
,
v
y
,
v
z
)
=
f
v
(
v
x
)
f
v
(
v
y
)
f
v
(
v
z
)
{\displaystyle f_{v}\left(v_{x},v_{y},v_{z}\right)=f_{v}(v_{x})f_{v}(v_{y})f_{v}(v_{z})}
其中一个方向上的分布为:
f
v
(
v
i
)
=
m
2
π ぱい
k
T
exp
[
−
m
v
i
2
2
k
T
]
.
{\displaystyle f_{v}(v_{i})={\sqrt {\frac {m}{2\pi kT}}}\exp \left[{\frac {-mv_{i}^{2}}{2kT}}\right].\qquad \qquad }
这个分布 ぶんぷ 具有 ぐゆう 正 せい 态分布 ぶんぷ 的 てき 形式 けいしき ,其方差 さ 为
k
T
m
{\displaystyle {\frac {kT}{m}}}
。正 せい 如所预料的 てき ,对于静止 せいし 的 てき 气体,在任 ざいにん 何方 どなた 向上 こうじょう 的 てき 平均 へいきん 速度 そくど 都 と 是 ぜ 零 れい 。
速 はや 率 りつ 的 てき 分布 ぶんぷ [ 编辑 ]
一 いち 些惰性 だせい 气体在 ざい 298.15 K(25 °C)的 てき 温度 おんど 下 か 的 てき 速 そく 率 りつ 分布 ぶんぷ 函数 かんすう 。y轴的单位为s/m,因 いん 此任何 なん 一段曲线下的面积(它表示 ひょうじ 速度 そくど 处于那 な 个范围的概 がい 率 りつ )都 みやこ 是 ただし 无量纲的。
通常 つうじょう ,我 わが 们更感 かん 兴趣于分子 ぶんし 的 てき 速 そく 率 りつ ,而不是 ぜ 它们的 てき 速度 そくど 分量 ぶんりょう 。麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼速 そく 率 りつ 分布 ぶんぷ 为:
f
(
v
)
=
2
π ぱい
(
m
k
T
)
3
v
2
exp
(
−
m
v
2
2
k
T
)
{\displaystyle f(v)={\sqrt {{\frac {2}{\pi }}\left({\frac {m}{kT}}\right)^{3}}}\,v^{2}\exp \left({\frac {-mv^{2}}{2kT}}\right)}
其中速 そく 率 りつ v 定 てい 义为:
v
=
v
x
2
+
v
y
2
+
v
z
2
{\displaystyle v={\sqrt {v_{x}^{2}+v_{y}^{2}+v_{z}^{2}}}}
注意 ちゅうい :在 ざい 这个方 かた 程 ほど 中 ちゅう ,f(v)的 てき 单位是 ぜ 概 がい 率 りつ 每 ごと 速 そく 率 りつ ,或 ある 仅仅是 ぜ 速 そく 率 りつ 的 てき 倒 たおせ 数 すう ,如右图那样。
由 よし 于速率 りつ 是 ぜ 三 さん 个独立 どくりつ 、呈 てい 正 せい 态分布 ぶんぷ 的 てき 速度 そくど 分量 ぶんりょう 的 てき 平方 へいほう 之 の 和 わ 的 てき 平方根 へいほうこん ,因 いん 此这个分布 ぶんぷ 是 ぜ 麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 。
我 わが 们通常 つうじょう 更 さら 感 かん 兴趣于粒子 りゅうし 的 てき 平均 へいきん 速 そく 率 りつ ,而不是 ぜ 它们的 てき 实际分布 ぶんぷ 。平均 へいきん 速 そく 率 りつ 、最 さい 概 がい 然 しか 速 はや 率 りつ (众数),以及均 ひとし 方 かた 根 ね 速 そく 率 りつ 可 か 以从麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 的 てき 性 せい 质获得 とく 。
典型 てんけい 的 てき 速 そく 率 りつ [ 编辑 ]
虽然以上 いじょう 的 てき 方 かた 程 ほど 给出了 りょう 速 そく 率 りつ 的 てき 分布 ぶんぷ ,或 ある 具有 ぐゆう 特定 とくてい 速 そく 率 りつ 的 てき 分子 ぶんし 的 てき 比例 ひれい ,我 わが 们通常 つうじょう 更 さら 感 かん 兴趣于粒子 りゅうし 的 てき 平均 へいきん 速 そく 率 りつ ,而不是 ぜ 它们的 てき 实际分布 ぶんぷ 。
最 さい 概 がい 然 しか 速 はや 率 りつ (最大 さいだい 可能 かのう 速 そく 率 りつ )[ 编辑 ]
最 さい 概 がい 然 しか 速 はや 率 りつ v p ,是 ぜ 系 けい 统中任 にん 何 なん 分子 ぶんし 最 さい 有 ゆう 可能 かのう 具有 ぐゆう 的 てき 速 そく 率 りつ ,对应于f (v )的 てき 最大 さいだい 值或众数 。要 よう 把 わ 它求出来 でき ,我 わが 们计算 さん df /dv ,依 よ 極 ごく 值法,將 はた 其設为零,然 しか 后 きさき 对v 求 もとめ 解 かい :
d
f
(
v
)
d
v
=
0
{\displaystyle {\frac {df(v)}{dv}}=0}
得 とく 出 で :
v
p
=
2
k
T
m
=
2
R
T
M
{\displaystyle v_{p}={\sqrt {\frac {2kT}{m}}}={\sqrt {\frac {2RT}{M}}}}
其中R 是 これ 气体常数 じょうすう ,M = NA m 是 ぜ 物 ぶつ 质的摩 ま 尔质量 りょう 。
对于室温 しつおん (300K )下 した 的 てき 氮气(空 そら 气的 てき 主要 しゅよう 成分 せいぶん ),可 か 得 とく
v
p
=
422
{\displaystyle v_{p}=422}
m/s。
平均 へいきん 速 そく 率 りつ [ 编辑 ]
平均 へいきん 速 そく 率 りつ 是 ぜ 速 そく 率 りつ 分布 ぶんぷ 的 てき 数学 すうがく 期 き 望 もち :
⟨
v
⟩
=
∫
0
∞
v
f
(
v
)
d
v
=
8
k
T
π ぱい
m
=
8
R
T
π ぱい
M
{\displaystyle \langle v\rangle =\int _{0}^{\infty }v\,f(v)\,dv={\sqrt {\frac {8kT}{\pi m}}}={\sqrt {\frac {8RT}{\pi M}}}}
近似 きんじ 得 どく :
⟨
v
⟩
=
8
R
T
π ぱい
M
≈
1.6
K
b
T
m
≈
1.6
R
T
M
{\displaystyle \langle v\rangle ={\sqrt {\frac {8RT}{\pi M}}}\approx 1.6{\sqrt {\frac {K_{b}T}{m}}}\approx 1.6{\sqrt {\frac {RT}{M}}}}
方 ほう 均 ひとし 根 ね 速 そく 率 りつ [ 编辑 ]
方 ほう 均 ひとし 根 ね 速 はや 率 りつ v rms 是 ぜ 速 そく 率 りつ 的 てき 平方 へいほう 的 てき 平均 へいきん 值的平方根 へいほうこん :
v
r
m
s
=
(
∫
0
∞
v
2
f
(
v
)
d
v
)
1
/
2
=
3
k
T
m
=
3
R
T
M
{\displaystyle v_{\mathrm {rms} }=\left(\int _{0}^{\infty }v^{2}\,f(v)\,dv\right)^{1/2}={\sqrt {\frac {3kT}{m}}}={\sqrt {\frac {3RT}{M}}}}
三种典型速率的关系 [ 编辑 ]
它们具有 ぐゆう 以下 いか 的 てき 关系:
v
p
:
v
a
v
e
r
a
g
e
:
v
r
m
s
≈
1
:
1.128
:
1.224
{\displaystyle v_{p}:v_{average}:v_{\mathrm {rms} }\approx 1:1.128:1.224}
。[1]
非 ひ 統計 とうけい 的 てき 推導方式 ほうしき [ 编辑 ]
麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ 也可直接 ちょくせつ 由 よし 氣體 きたい 速 そく 率 りつ 均 ひとし 向性 こうせい 以及分離 ぶんり 變數 へんすう 的 てき 假設 かせつ 以微分 びぶん 方 かた 程 ほど 計算 けいさん 得 え 到 いた 指數 しすう 函數 かんすう 之 の 形式 けいしき ,微分 びぶん 方 かた 程 ほど 解 かい 的 てき 未 み 定數 ていすう 項 こう 則 そく 由 よし 粒子 りゅうし 總數 そうすう 以及方 かた 均 ひとし 根 ね 速 そく 率 りつ 和波 わなみ 茲曼常數 じょうすう 的 てき 氣體 きたい 動力 どうりょく 論 ろん 關係 かんけい 兩者 りょうしゃ 聯立 れんりつ 得 とく 解 かい .詳 しょう 見 み 外部 がいぶ 連結 れんけつ .
相 あい 对论气体的 てき 速 そく 率 りつ 分布 ぶんぷ [ 编辑 ]
电子气体在 ざい 不同 ふどう 温度 おんど 下 か 的 てき Maxwell-Juttner速 そく 率 りつ 分布 ぶんぷ (相 あい 对论麦 むぎ 克 かつ 斯韦分布 ぶんぷ )
当 とう 气体越来 ごえく 越 えつ 热时,kT 趋于或 ある 超 ちょう 过mc2 ,这个相 しょう 对论麦 むぎ 克 かつ 斯韦气体的 てき 速 そく 率 りつ 分布 ぶんぷ 由 よし Maxwell-Juttner分布 ぶんぷ 给出:[2] :
f
(
γ がんま
)
=
γ がんま
2
β べーた
θ しーた
K
2
(
1
/
θ しーた
)
e
x
p
(
−
γ がんま
θ しーた
)
(
11
)
{\displaystyle f(\gamma )={\frac {\gamma ^{2}\beta }{\theta K_{2}(1/\theta )}}\mathrm {exp} \left(-{\frac {\gamma }{\theta }}\right)\qquad (11)}
其中
β べーた
=
v
c
,
{\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}},}
γ がんま
=
1
1
−
β べーた
2
,
{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\beta ^{2}}}}},}
θ しーた
=
k
T
m
c
2
,
{\displaystyle \theta ={\frac {kT}{mc^{2}}},}
和 わ
K
2
{\displaystyle K_{2}}
是 ぜ 第 だい 二 に 类变形 がた 贝塞尔函数 すう 。
参考 さんこう 文献 ぶんけん [ 编辑 ]
^ 秦 はた 允 まこと 豪 ごう . 热学. 高等 こうとう 教育 きょういく 出版 しゅっぱん 社 しゃ . : 65页. ISBN 978-7-04-013790-3 .
^ Synge, J.L., The relativistic gas , Noord-Holland, 1957
外部 がいぶ 链接[ 编辑 ]
参 まいり 见[ 编辑 ]