Shpërndarja Maxwell–Boltzmann

Në fizikë (veçanërisht në mekanikën statistikore ), shpërndarja Maxwell-Boltzmann, ose shpërndarja Maxwell(ian), është një shpërndarje e veçantë probabiliteti e emërtuar sipas James Clerk Maxwell dhe Ludwig Boltzmann .

Fillimisht u përcaktua dhe u përdor për përshkrimin e shpejtësisë së grimcave në gazet ideale, ku grimcat lëvizin lirshëm brenda një ene të palëvizshme pa ndërvepruar me njëra-tjetrën, me përjashtim të përplasjeve shumë të shkurtra në të cilat shkëmbejnë energji dhe impuls me njëra-tjetrën ose me mjedisin e tyre termik. Termi "grimcë" në këtë kontekst u referohet vetëm grimcave të gazta ( atomeve ose molekulave ), dhe sistemi i grimcave supozohet se ka arritur ekuilibrin termodinamik .  Energjitë e grimcave të tilla ndjekin atë që njihet si statistika Maxwell-Boltzmann, dhe shpërndarja statistikore e shpejtësive rrjedh duke barazuar energjitë e grimcave me energjinë kinetike.

Matematikisht, shpërndarja Maxwell-Boltzmann është shpërndarja chi me tre shkallë lirie (përbërësit e vektorit të shpejtësisë në hapësirën Euklidiane ), me një parametër shkallë që mat shpejtësinë në njësi të përpjesshme me rrënjën katrore të  (raporti i temperaturës dhe masës së grimcave). 

Shpërndarja Maxwell-Boltzmann është rezultat i teorisë kinetike të gazeve, e cila ofron një shpjegim të thjeshtuar të shumë vetive themelore të gazit, duke përfshirë shtypjen dhe difuzionin .  Shpërndarja Maxwell-Boltzmann zbatohet në thelb për shpejtësitë e grimcave në tre dimensione, por rezulton se varet vetëm nga shpejtësia ( madhësia e shpejtësisë) të grimcave. Shpërndarja e probabilitetit të shpejtësisë së grimcave tregon se cilat shpejtësi janë më të mundshme: një grimcë e zgjedhur rastësisht do të ketë një shpejtësi të zgjedhur rastësisht nga shpërndarja dhe ka më shumë gjasa të jetë brenda një diapazoni shpejtësish sesa një tjetër. Teoria kinetike e gazeve zbatohet për gazin ideal klasik, i cili është një idealizim i gazeve reale. Në gazet reale, ka efekte të ndryshme (p.sh., ndërveprimet e van der Waals-it, rryma e vorbullës, kufijtë e shpejtësisë relativiste dhe ndërveprimet e shkëmbimit kuantik) që mund ta bëjnë shpërndarjen e tyre të shpejtësisë të ndryshme nga forma Maxwell-Boltzmann. Megjithatë, gazrat e rralluar në temperatura të zakonshme sillen pothuajse si një gaz ideal dhe shpërndarja e shpejtësisë Maxwell është një përafrim i shkëlqyer për gazra të tillë. Kjo është gjithashtu e vërtetë për plazmat ideale, të cilat janë gaze të jonizuara me dendësi mjaft të ulët. N.A. Krall and A.W. Trivelpiece, Principles of Plasma Physics, San Francisco Press, Inc., 1986, among many other texts on basic plasma physics

Shpërndarja u përftua për herë të parë nga Maxwell në 1860 mbi baza heuristike . See: Boltzmann më vonë, në vitet 1870, kreu hetime të rëndësishme mbi origjinën fizike të kësaj shpërndarjeje. Shpërndarja mund të nxirret në bazë të faktit se maksimizon entropinë e sistemit. Një listë e derivacioneve janë:

 Shpërndarja probabilitare me entropi maksimale në hapësirën fazore, me kufizimin e ruajtjes së energjisë mesatare 
 Ansambli kanonik .

 Funksioni i shpërndarjes 
Për një sistem që përmban një numër të madh grimcash klasike identike jo-ndërvepruese, jorelativiste në baraspeshë termodinamike, fraksioni i grimcave brenda një elementi pambarimisht të vogël të hapësirës së shpejtësisë tredimensionale d 3 v, me qendër në një vektor shpejtësie  të përmasave , jepet ngaku:

 m është masa e grimcës;
 k është konstantja e Boltzmannit;
 T është temperatura termodinamike;
  është funksioni i shpërndarjes probabilitare, i normuar në mënyrë të tillë që  mbi të gjitha shpejtësitë është unitare.

djathtas|parapamje|340x340px| Funksioni i dëndësisë së probabilitetit (fdp) të shpejtësisë të shpejtësive të disa gazeve fisnike në një temperaturë prej 298,15 K (25 °C). Boshti y është në s/m në mënyrë që sipërfaqja nën çdo seksion të kurbës (që përfaqëson probabilitetin që shpejtësia të jetë në atë diapazon) është pa dimension.
Funksioni i shpërndarjes Maksuelliane për grimcat që lëvizin vetëm në një drejtim, nëse ky drejtim është x, ështëe cila mund të merret duke integruar formën tredimensionale të dhënë më sipër mbi  dhe  .

Duke njohur simetrinë e , mund të integrohet mbi kënd të ngurtë dhe të shkruhet një shpërndarje probabiliteti të shpejtësive si funksion Ky funksion i densitetit të probabilitetit jep probabilitetin, për njësi të shpejtësisë, për të gjetur grimcën me shpejtësi afër v . Ky ekuacion është thjesht shpërndarja Maxwell–Boltzmann (e dhënë në infobox) me parametrin e shpërndarjes  Shpërndarja Maxwell–Boltzmann është ekuivalente me shpërndarjen chi me tre shkallë lirie dhe parametri të shkallës 

Ekuacioni diferencial i zakonshëm më i thjeshtë i plotësuar nga shpërndarja është:
parapamje|471x471px| Simulimi i një gazi 2D që relaksohet drejt një shpërndarjeje të shpejtësisë Maxwell–Boltzmann

 Shpejtësitë tipike 
alt=Solar Atmosphere Maxwell–Boltzmann Distribution.|parapamje|400x400px| Shpërndarja Maxwell–Boltzmann që përkon me atmosferën diellore. Masat e grimcave janë një masë protonike, m p = 1,67 × 10 −27 kg ≈ 1 Da, dhe temperatura është temperatura efektive e fotosferës së Diellit, T = 5800 K. , , dhe  shënojnë përkatësisht shpejtësitë më të mundshme, mesatare dhe mesatare katrore. Vlerat e tyre janë  ≈ ,  ≈ , dhe V rms ≈ 12.00 km/s .
Shpejtësia mesatare , shpejtësia më e mundshme ( moda ) , dhe shpejtësia mesatare e katrorit  mund të merret nga vetitë e shpërndarjes Maxwell.

Kjo funksionon mirë për gazet pothuajse ideale, monoatomike si heliumi, por edhe për gazrat molekularë si oksigjeni diatomik. Kjo është për shkak se pavarësisht kapacitetit më të madh të nxehtësisë (energjia më e madhe e brendshme në të njëjtën temperaturë) për shkak të numrit më të madh të shkallëve të lirisë, energjia e tyre kinetike përkthimore (dhe kështu shpejtësia e tyre) është e pandryshuar. 

 Shpejtësia më e mundshme, v p, është shpejtësia që ka më shumë gjasa të zotërohet nga çdo molekulë (me të njëjtën masë m ) në sistem dhe korrespondon me vlerën maksimale ose mënyrën e f ( v ) . Për ta gjetur atë, ne llogarisim derivatin:




Për azotin diatomik ( , përbërësi kryesor i ajrit )  në temperaturën e dhomës (  ), kjo jep

 Shpejtësia mesatare është vlera e pritur e vendosjes së shpërndarjes së shpejtësisë  : 
 Shpejtësia mesatare katrore  është momenti i parë i rendit të dytë i shpërndarjes së shpejtësisë. "Shpejtësia mesatare katrore e rrënjës"  është rrënja katrore e shpejtësisë mesatare katrore, që korrespondon me shpejtësinë e një grimce me energji mesatare kinetike, vendosja  :
Në përmbledhje, shpejtësitë tipike lidhen si më poshtë:Shpejtësia rrënjë e mesatares së katrorëve lidhet drejtpërdrejt me shpejtësinë e zërit c në gaz, ngaku  është indeksi adiabatik, f është numri i shkallëve të lirisë së molekulës individuale të gazit. Për shembullin e mësipërm, azoti diatomik ( ajri i përafërt) në ,  Nitrogen at room temperature is considered a "rigid" diatomic gas, with two rotational degrees of freedom additional to the three translational ones, and the vibrational degree of freedom not accessible. dhevlera e vërtetë për ajrin mund të përafrohet duke përdorur peshën mesatare molare të ajrit (  ), duke dhënë  në  (korrigjimet për lagështinë e ndryshueshme janë të rendit nga 0,1% deri në 0,6%).

Shpejtësia mesatare relativeku është shpërndarja tredimensionale e shpejtësisëIntegrali mund të zgjidhet lehtësisht duke ndryshuar në koordinata  dhe 

 Derivimi dhe shpërndarjet përkatëse 

 Statistikat e Maxwell–Boltzmann-it 
Derivimi origjinal në 1860 nga James Clerk Maxwell ishte një argument i bazuar në përplasjet molekulare të teorisë kinetike të gazeve si dhe në simetri të caktuara në funksionin e shpërndarjes së shpejtësisë; Maxwell dha gjithashtu një argument të hershëm se këto përplasje molekulare sjellin një prirje drejt baraspeshës. See:  Pas Maxwell-it, Ludwig Boltzmann në 1872 Boltzmann, L., "Weitere studien über das Wärmegleichgewicht unter Gasmolekülen." Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien, mathematisch-naturwissenschaftliche Classe, 66, 1872, pp. 275–370. gjithashtu nxori shpërndarjen në baza mekanike dhe argumentoi se gazrat duhet të priren me kalimin e kohës drejt kësaj shpërndarjeje, për shkak të përplasjeve (shih teoremën H ). Ai më vonë (1877)  nxori shpërndarjen përsëri nën kuadrin e termodinamikës statistikore . Derivimet në këtë seksion janë përgjatë linjave të derivimit të Boltzmann-it të vitit 1877, duke filluar me rezultatin e njohur si statistika Maxwell–Boltzmann (nga termodinamika statistikore). Statistikat e Maxwell–Boltzmann-it japin numrin mesatar të grimcave që gjenden në një mikrogjendje të caktuar me një grimcë. Sipas supozimeve të caktuara, logaritmi i fraksionit të grimcave në një mikrogjendje të caktuar është linear në raportin e energjisë së asaj gjendje me temperaturën e sistemit: ka konstante  dhe  e tillë që për të gjithë  ,Supozimet e këtij ekuacioni janë se grimcat nuk ndërveprojnë dhe se ato janë klasike; kjo do të thotë se gjendja e secilës grimcë mund të konsiderohet e pavarur nga gjendjet e grimcave të tjera. Për më tepër, grimcat supozohen të jenë në baraspeshë termike.  

Kjo lidhje mund të shkruhet si një ekuacion duke futur një faktor normalizues:

ku:

  është numri i pritur i grimcave në mikrogjëndjen njëgrimcore i,
 N është numri total i grimcave në sistem,
   është energjia e mikrogjëndjes i,
 shuma mbi indeksin j merr në konsideratë të gjitha mikrogjendjet,
 T është temperatura e baraspeshës së sistemit,
 k është konstantja e Bolcmanit.

Emëruesi në ekuacionin ( 1 ) është një faktor normalizues në mënyrë që raportet  mblidhen deri në njësi - me fjalë të tjera është një lloj funksioni particioni (për sistemin me një grimcë, jo funksioni i zakonshëm i ndarjes i të gjithë sistemit).

Për shkak se shpejtësia (vektor) dhe shpejtësia (vlerë absolute) janë të lidhura me energjinë, ekuacioni ( 1 ) mund të përdoret për të nxjerrë marrëdhëniet midis temperaturës dhe shpejtësisë së grimcave të gazit. Gjithçka që nevojitet është të zbulohet dendësia e mikrogjendjeve në energji, e cila përcaktohet duke ndarë hapësirën e momentit në rajone me madhësi të barabartë.

 Shpërndarja për vektorin e momentit 
Energjia potenciale merret zero, kështu që e gjithë energjia është në formën e energjisë kinetike. Marrëdhënia midis energjisë kinetike dhe momentit për grimcat masive jo- relativiste është

ku  është katrori i vektorit të momentit . Prandaj, ne mund ta rishkruajmë ekuacionin ( 1 ) si:

ku:

 Z është funksioni i particionit, që i përkon numëruesit në (1);
 m është masa molekulare e gazit;
 T është temperatura termodinamike;
 k është konstantja e Bolcmanit.

Kjo shpërndarje e  është e përpjesshme me funksionin e dendësisë së probabilitetit  për gjetjen e një molekule me këto vlera të përbërësve të momentit, pra:

Konstantja normalizuese mund të përcaktohet duke njohur se probabiliteti që një molekulë të ketë një moment të caktuar duhet të jetë 1. Integrimi i eksponencialit në ( 4 ) mbi të gjitha ,  dhe  jep një faktor prejKështu që funksioni i shpërndarjes së normalizuar është:

Shpërndarja shihet të jetë prodhimi i tre ndryshoreve të pavarura të shpërndara normalisht , , dhe , me variancë  . Për më tepër, mund të shihet se madhësia e impulsit do të shpërndahet si një shpërndarje Maxwell-Boltzmann, me  . Shpërndarja Maxwell-Boltzmann për impulsin (ose në mënyrë të barabartë për shpejtësitë) mund të merret më thelbësisht duke përdorur teoremën H në baraspeshë brenda kornizës së teorisë kinetike të gazeve .

 Shpërndarja për energjinë 
Shpërndarja e energjisë duket imponuar

ku  është vëllimi pafundësisht i vogël hapësinor fazor i impulsit që i përkon intervalit të energjisë . Përdorimi i simetrisë sferike të lidhjes së dispersionit energji-moment  kjo mund të shprehet në terma dE si

Duke përdorur atëherë ( 8 ) në ( 7 ) dhe duke shprehur gjithçka në termat e energjisë E, marrimdhe në fund
Meqenëse energjia është e përpjesshme me shumën e katrorëve të tre përbërësve të impulsit të shpërndarë normalisht, kjo shpërndarje energjie mund të shkruhet në mënyrë të njëvlerëshme si një shpërndarje gama, duke përdorur një parametër të formës,  dhe një parametër shkallë, 

Duke përdorur teoremën e ekuiparticionit, duke pasur parasysh se energjia shpërndahet në mënyrë të barabartë midis të tre shkallëve të lirisë në baraspeshë, ne gjithashtu mund të ndajmë  në një grup shpërndarjesh hi-katrore, ku energjia për shkallë lirie, ε shpërndahet si një shpërndarje chi-katrore me një shkallë lirie, , Appendix N, page 434Në baraspeshë, kjo shpërndarje do të jetë e vërtetë për çdo numër shkallësh lirie. Për shembull, nëse grimcat janë dipole me masë të ngurtë me impuls dipoli fiks, ato do të kenë tre shkallë lirie përkthimore dhe dy shkallë lirie rrotulluese shtesë. Energjia në secilën shkallë lirie do të përshkruhet sipas shpërndarjes së mësipërme hi-katrore me një shkallë lirie, dhe energjia totale do të shpërndahet sipas një shpërndarje chi-katrore me pesë shkallë lirie. Kjo ka implikime në teorinë e nxehtësisë specifike të një gazi.

 Shpërndarja për vektorin e shpejtësisë 
Duke pranuar që densiteti i probabilitetit të shpejtësisë  është i përpjesshëm me funksionin e densitetit të probabilitetit të impulsit:dhe duke përdorur   marrim

që është shpërndarja e shpejtësisë Maxwell–Boltzmann. Probabiliteti për të gjetur një grimcë me shpejtësi në elementin pambarimisht të vogël  rreth shpejtësisë  ështëAshtu si impulsi, kjo shpërndarje duket se është prodhimi i tre ndryshoreve të pavarura të shpërndara normalisht , , dhe , por me variancë  . Mund të shihet gjithashtu se shpërndarja e shpejtësisë Maxwell-Boltzmann për shpejtësinë vektoriale është prodhimi i shpërndarjeve për secilin nga tre drejtimet:ku shpërndarja për një drejtim të vetëm jepet nga formulaÇdo përbërës i vektorit të shpejtësisë ka një shpërndarje normale me mesataren  dhe shmangie standarde , kështu që vektori ka një shpërndarje normale 3-dimensionale, një lloj i veçantë i shpërndarjes normale multivariate, me mesatare  dhe kovariancë , ku  është matrica identitare  .

 Shpërndarja për shpejtësinë 
Shpërndarja Maxwell–Boltzmann për shpejtësinë vjen menjëherë nga shpërndarja e vektorit të shpejtësisë, më sipër. Vini re se shpejtësia ështëdhe elementi i vëllimit në koordinata sferikeku  dhe  janë këndet e koordinatave sferike të vektorit të shpejtësisë. Integrimi i funksionit të densitetit të probabilitetit të shpejtësisë mbi këndet e ngurta  jep një faktor shtesë të  . Shpërndarja e shpejtësisë me zëvendësimin e shpejtësisë për shumën e katrorëve të përbërësve të vektorit:

 Në hapësirën n -dimensionale 
Në hapësirën n -dimensionale, shpërndarja Maxwell–Boltzmann merr trajtën:Shpërndarja e shpejtësisë bëhet:Rezultati integral i mëposhtëm është i dobishëm:ku  është funksioni Gama . Ky rezultat mund të përdoret për të llogaritur momentet e funksionit të shpërndarjes së shpejtësisë:e cila është vetë shpejtësia mesatare e cila jep shpejtësinë e rrënjës-mesatare-katrore 

Derivati i funksionit të shpërndarjes së shpejtësisë:Kjo jep shpejtësinë më të mundshme ( moda ) 

 Shiko gjithashtu 

 Ekuacioni kuantik Boltzmann
 Statistikat e Maxwell–Boltzmann
 Shpërndarja Maxwell–Jüttner
 Shpërndarja Boltzmann
 Shpërndarja e Rayleigh
 Teoria kinetike e gazeve
Kategoria:Faqe me përkthime të pashqyrtuara