--> Ðàñïðåäåëåíèå Ìàêñâåëëà
ìîé ÞÒÓÁ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!
ìîé ÒÅËÅÃÐÀÌ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!

 


Ñîäåðæàíèå

 

Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ

Ãëàâà 4. Ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ èäåàëüíîãî ãàçà

 


§ 4.6. Ðàñïðåäåëåíèå Ìàêñâåëëà (îêîí÷àíèå)

Ðàñïðåäåëåíèå ìîäóëåé ñêîðîñòåé ìîëåêóë

Íàéäåì ñðåäíåå ÷èñëî ìîëåêóë, ñêîðîñòè êîòîðûõ ïî ìîäóëþ ëåæàò â èíòåðâàëå îò υ äî υ + Δυ.

Ðàñïðåäåëåíèå ìîäóëåé ñêîðîñòåé ìîëåêóë

Ðàñïðåäåëåíèå Ìàêñâåëëà (4.6.4) îïðåäåëÿåò ÷èñëî ìîëåêóë, ïðîåêöèè ñêîðîñòåé êîòîðûõ ëåæàò â èíòåðâàëàõ çíà÷åíèé îò υx äî υx + Δυx, îò υy äî υy + Δυy, îò υz äî υz + Δυz. Âåêòîðû ýòèõ ñêîðîñòåé îêàí÷èâàþòñÿ âíóòðè îáúåìà ΔυxΔυyΔυz (ñì. ðèñ. 4.8). Òàêèì îáðàçîì çàäàåòñÿ ñðåäíåå ÷èñëî ìîëåêóë, èìåþùèõ îïðåäåëåííûé ìîäóëü è îïðåäåëåííîå íàïðàâëåíèå ñêîðîñòåé, çàäàâàåìûå ïîëîæåíèåì îáúåìà ΔυxΔυyΔυz â ïðîñòðàíñòâå ñêîðîñòåé.

Âñå ìîëåêóëû, ìîäóëè ñêîðîñòåé êîòîðûõ ëåæàò â èíòåðâàëå îò è äî υ + Δυ, ðàñïîëàãàþòñÿ â ïðîñòðàíñòâå ñêîðîñòåé âíóòðè øàðîâîãî ñëîÿ ðàäèóñîì υ è òîëùèíîé Δυ (ðèñ. 4.10). Îáúåì øàðîâîãî ñëîÿ ðàâåí ïðîèçâåäåíèþ ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè ñëîÿ íà åãî òîëùèíó: 4πυ2Δυ. ×èñëî ìîëåêóë, íàõîäÿùèõñÿ âíóòðè ýòîãî ñëîÿ è, ñëåäîâàòåëüíî, îáëàäàþùèõ çàäàííûìè çíà÷åíèÿìè ìîäóëÿ ñêîðîñòè â èíòåðâàëå îò υ äî υ + Δυ, ìîæåò áûòü íàéäåíî èç ôîðìóëû (4.6.2), åñëè çàìåíèòü îáúåì ΔυxΔVυyΔυz íà îáúåì 4πυ2Δυ.

Òàêèì îáðàçîì, èñêîìîå ñðåäíåå ÷èñëî ìîëåêóë ðàâíî

ñðåäíåå ÷èñëî ìîëåêóë

Òàê êàê âåðîÿòíîñòü îïðåäåëåííîãî çíà÷åíèÿ ìîäóëÿ ñêîðîñòè ìîëåêóëû ðàâíà îòíîøåíèþ òî äëÿ ïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòè ïîëó÷èì

âåðîÿòíîñòü îïðåäåëåííîãî çíà÷åíèÿ ìîäóëÿ ñêîðîñòè ìîëåêóëû

Ãðàôèê, âûðàæàþùèé çàâèñèìîñòü ýòîé ôóíêöèè îò ñêîðîñòè, ïîêàçàí íà ðèñóíêå 4.11. Ìû âèäèì, ÷òî ôóíêöèÿ ƒ(υ) èìååò ìàêñèìóì óæå íå â íóëå, êàê ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè ƒ(υx, υy, υz). Ïðè÷èíà ýòîãî ñîñòîèò â ñëåäóþùåì. Ïëîòíîñòü òî÷åê, èçîáðàæàþùèõ ìîëåêóëû â ïðîñòðàíñòâå ñêîðîñòåé, ïîïðåæíåìó áóäåò íàèáîëüøåé âáëèçè υ = 0, íî çà ñ÷åò ðîñòà îáúåìîâ øàðîâûõ ñëîåâ ñ óâåëè÷åíèåì ìîäóëåé ñêîðîñòåé (~ υ2) ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå ôóíêöèè ƒ(υ). Ïðè ýòîì ÷èñëî òî÷åê âíóòðè øàðîâîãî ñëîÿ ðàñòåò áûñòðåå, ÷åì óáûâàåò ôóíêöèÿ ƒ(υx, υó, υz) âñëåäñòâèå óìåíüøåíèÿ ïëîòíîñòè òî÷åê.

Ìîæíî ïîÿñíèòü ñêàçàííîå íàãëÿäíûì ïðèìåðîì. Äîïóñòèì, îáû÷íóþ ìèøåíü ñ êîíöåíòðè÷åñêèìè êðóãàìè îáñòðåëèâàåò äîñòàòî÷íî ìåòêèé ñòðåëîê. Ïîïàäàíèÿ ïóëü êîíöåíòðèðóþòñÿ âîêðóã öåíòðà ìèøåíè. Ïëîòíîñòü ïîïàäàíèé — ÷èñëî ïîïàäàíèé íà åäèíèöó ïëîùàäè — áóäåò ìàêñèìàëüíîé âáëèçè öåíòðà ìèøåíè. Ðàçäåëèì ìèøåíü íà îòäåëüíûå óçêèå ïîëîñêè øèðèíîé Δx (ðèñ. 4.12, à). Òîãäà îòíîøåíèå ÷èñëà ïîïàäàíèé íà äàííóþ ïîëîñêó ê åå øèðèíå áóäåò ìàêñèìàëüíî âáëèçè öåíòðà ìèøåíè. Çàâèñèìîñòü îòíîøåíèÿ ÷èñëà ïîïàäàíèé â äàííóþ ïîëîñêó ê åå øèðèíå èìååò âèä, ïîêàçàííûé íà ðèñóíêå 4.12, á. Çäåñü îïÿòü ïîëó÷àåòñÿ ãàóññîâà êðèâàÿ, êàê è äëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ƒ(υx) ïî ïðîåêöèÿì ñêîðîñòåé (ñì. ðèñ. 4.9).

ãàóññîâà êðèâàÿ

Íî ñîâñåì äðóãîé ðåçóëüòàò ïîëó÷èòñÿ, åñëè ïîäñ÷èòûâàòü ÷èñëî ïîïàäàíèé â ðàçëè÷íûå êîëüöà ìèøåíè.  ýòîì ñëó÷àå îòíîøåíèå ÷èñëà ïîïàäàíèé â êîëüöî ðàäèóñîì ã ê åãî øèðèíå ãðàôè÷åñêè áóäåò õàðàêòåðèçîâàòüñÿ êðèâîé, èçîáðàæåííîé íà ðèñóíêå 4.12, â. Õîòÿ ïëîòíîñòü ïîïàäàíèé ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò öåíòðà ìèøåíè óáûâàåò, íî ïëîùàäè êîëåö ðàñòóò ïðîïîðöèîíàëüíî r, ÷òî è ïðèâîäèò ê ñìåùåíèþ ìàêñèìóìà êðèâîé îò íóëÿ.

Íàèáîëåå âåðîÿòíàÿ ñêîðîñòü ìîëåêóë

Çíàÿ ôîðìóëó (4.6.8) äëÿ ïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòè ìîäóëåé ñêîðîñòåé ìîëåêóë, ìîæíî íàéòè çíà÷åíèå ñêîðîñòè, ñîîòâåòñòâóþùåé ìàêñèìóìó ïëîòíîñòè ýòîé âåðîÿòíîñòè*. Ñêîðîñòü (åå íàçûâàþò íàèáîëåå âåðîÿòíîé) îêàçûâàåòñÿ ðàâíîé

íàèáîëåå âåðîÿòíîé

    * Ýòî äåëàåòñÿ ïî ïðàâèëàì íàõîæäåíèÿ ìàêñèìóìà èçâåñòíîé ôóíêöèè. Íóæíî âû÷èñëèòü ïðîèçâîäíóþ ýòîé ôóíêöèè ïî ñêîðîñòè è ïðèðàâíÿòü åå íóëþ.

Áîëüøèíñòâî ìîëåêóë èìåþò ñêîðîñòè, áëèçêèå ê íàèáîëåå âåðîÿòíîé (ñì. ðèñ. 4.11).

Áîëüøèíñòâî ìîëåêóë èìåþò ñêîðîñòè, áëèçêèå ê íàèáîëåå âåðîÿòíîé

Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ àáñîëþòíîé òåìïåðàòóðû Ò íàèáîëåå âåðîÿòíàÿ ñêîðîñòü óâåëè÷èâàåòñÿ è ïðè ýòîì êðèâàÿ çàâèñèìîñòè ƒ(υ) ñòàíîâèòñÿ âñå áîëåå ñãëàæåííîé (ðèñ. 4.13).

Ðîëü áûñòðûõ ìîëåêóë

Ïðè ëþáîé òåìïåðàòóðå èìååòñÿ íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî ìîëåêóë, ñêîðîñòè êîòîðûõ, à çíà÷èò, è êèíåòè÷åñêèå ýíåðãèè, çàìåòíî ïðåâûøàþò ñðåäíèå.

Èçâåñòíî, ÷òî ìíîãèå õèìè÷åñêèå ðåàêöèè, íàïðèìåð ãîðåíèå îáû÷íûõ âèäîâ òîïëèâà (äðîâà, óãîëü è ò. ä.), íà÷èíàþòñÿ òîëüêî ïðè îïðåäåëåííîé, äîñòàòî÷íî âûñîêîé òåìïåðàòóðå. Ýíåðãèÿ, íåîáõîäèìàÿ äëÿ íà÷àëà ïðîöåññà îêèñëåíèÿ òîïëèâà, ò. å. ãîðåíèÿ (åå íàçûâàþò ýíåðãèåé àêòèâàöèè), èìååò ïîðÿäîê 10-19 Äæ. À ïðè òåìïåðàòóðå 293 Ê (êîìíàòíàÿ òåìïåðàòóðà) ñðåäíÿÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ìîëåêóë ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 5 • 10-21 Äæ. Ïîýòîìó ãîðåíèå íå ïðîèñõîäèò. Îäíàêî óâåëè÷åíèå òåìïåðàòóðû âñåãî ëèøü â 2 ðàçà (äî 586 Ê) âûçûâàåò âîñïëàìåíåíèå. Ñðåäíÿÿ ýíåðãèÿ ìîëåêóë óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè ýòîì òîæå â 2 ðàçà, íî ÷èñëî ìîëåêóë, êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ êîòîðûõ ïðåâûøàåò 10-19 Äæ, óâåëè÷èâàåòñÿ â 108 ðàç. Ýòî ñëåäóåò èç ðàñïðåäåëåíèÿ Ìàêñâåëëà. Ïîýòîìó ïðè òåìïåðàòóðå 293 Ê âû ÷óâñòâóåòå ñåáÿ, ÷èòàÿ êíèãó, êîìôîðòíî, à ïðè 586 Ê êíèãà íà÷èíàåò ãîðåòü.

Èñïàðåíèå æèäêîñòè òàêæå îïðåäåëÿåòñÿ áûñòðûìè ìîëåêóëàìè ïðàâîãî «õâîñòà» ìàêñâåëëîâñêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ. Ýíåðãèÿ ñâÿçè ìîëåêóë âîäû ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå çíà÷èòåëüíî áîëüøå êÒ. Òåì íå ìåíåå èñïàðåíèå ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò íåáîëüøîãî ÷èñëà áûñòðûõ ìîëåêóë, ó êîòîðûõ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ïðåâûøàåò êÒ.

Ìàêñâåëë îòêðûë íîâûé òèï ôèçè÷åñêîãî çàêîíà — ñòàòèñòè÷åñêèé — è íàøåë ðàñïðåäåëåíèå ìîëåêóë ïî ñêîðîñòÿì. Îí îò÷åòëèâî ïîíèìàë çíà÷åíèå ñâîåãî îòêðûòèÿ.  äîêëàäå Êåìáðèäæñêîìó ôèëîñîôñêîìó îáùåñòâó Ìàêñâåëë ñêàçàë: «ß ñ÷èòàþ, ÷òî íàèáîëåå âàæíîå çíà÷åíèå äëÿ ðàçâèòèÿ íàøèõ ìåòîäîâ ìûøëåíèÿ ìîëåêóëÿðíûå òåîðèè èìåþò ïîòîìó, ÷òî îíè çàñòàâëÿþò äåëàòü ðàçëè÷èå ìåæäó äâóìÿ ìåòîäàìè ïîçíàíèÿ, êîòîðûå ìû ìîæåì íàçâàòü äèíàìè÷åñêèì è ñòàòèñòè÷åñêèì».

<<< Ê íà÷àëó ïàðàãðàôà

 

 

Ðåéòèíã@Mail.ru



Ñîäåðæàíèå

!-- Step 2 - Decide on the place where you want to place the video -->
. Âàæíî, ÷òîáû ñêðèïò áûë ïîñëå áëîêà. Íàïðèìåð, ìîæíî ðàçìåñòèòü ïåðåä òåãîì -->