麦克斯韦速率分布函数推导(麦克斯韦速率分布函数的物理意义)

麦克斯韦速率分布函数?

在平衡状态下,当分子的相互作用可以忽略时,分布在任一速率区间v~v+△v间的分子数dN占总分子数N的比率(或百分比)为dN / N .

dN / N是v 的函数,在不同速率附近取相等的区间,此比率一般不相等.当速率区间足够小时(宏观小,微观大),dN / N 还应与区间大小成正比:

其中f(v)是气体分子的速率分布函数.分布函数f(v)的物理意义是:速率在 v 附近,单位速率区间的分子数占总分子数的比率.

分布函数f(v)满足归一化条件:

大量分子的系统处于平衡态时,可以得到速率分布函数的具体形式:

式中T是热力学温度,m为分子质量,k为玻尔兹曼常数.上式就是麦克斯韦速率分布律.

麦克斯韦速率分布是大量分子处于平衡态时的统计分布,也是它的最概然分布.大量分子的集合从任意非平衡态趋于平衡态,其分子速率分布则趋于麦克斯韦速率分布,其根源在于分子间的频繁碰撞.

上图是麦克斯韦速率分布函数f(v)示意图,曲线下面宽度为 dv 的小窄条面积等于分布在此速率区间内的分子数占总分子数的比率dN/N .

我们可以看到:同一种理想气体在平衡状态下,温度升高时速率分布曲线变宽、变平坦,但曲线下的总面积不变.随着温度的升高,速率较大的分子在分子总数中的比率增大.同一温度下,分子质量m越小,曲线越宽越平坦,在分子总数中速率较大的分子所占比率越高.

麦克斯韦速度分布律的正文?

1920年O.斯特恩最先用原子束(分子束)实验直接验证了麦克斯韦速率分布律的正确性。从麦克斯韦速率分布函数出发,可以求出气体分子的最可几速率、均方根速率和平均速率。 最概然速率 ,是系统中任何分子最有可能具有的速率,对应于的最大值或众数。要把它求出来,我们计算,设它为零,然后对求解:得出:其中R是气体常数,M=NAm是物质的摩尔质量。对于室温(300K)下的氮气(空气的主要成分),可得 =422m/s。 平均速率 平均速率是速率分布的数学期望值:均方根速率 均方根速率vrms是速率的平方的平均值的平方根:三种典型速率的关系 它们具有以下的关系:1872年,玻耳兹曼创立了系统的气体输运理论,从研究非平衡态分布函数着手,建立了H定理(见统计物理学)。玻耳兹曼根据H定理证明,在达到平衡状态时,气体分子的速度分布趋于麦克斯韦分布。

向左转|向右转

麦克斯韦速率分布方程是什么?

平衡态下,理想气体分子速度分布是有规律的,这个规律叫麦克斯韦速度分布律。

若不考虑分子速度的方向,则叫麦克斯韦速率分布律。所得的方程即为麦克斯韦速率方程。

麦克斯韦速率分布律的使用条件?

麦克斯韦速率分布律形成了分子运动论的基础,它解释了许多基本的气体性质,包括压强和扩散。麦克斯韦速率分布律通常指气体中分子的速率的分布,但它还可以指分子的速度、动量,以及动量的大小的分布,每一个都有不同的概率分布函数,而它们都是联系在一起的。

麦克斯韦速率分布律可以用统计力学来推导(参见麦克斯韦-玻尔兹曼统计)。它对应于由大量不相互作用的粒子所组成、以碰撞为主的系统中最有可能的速率分布,其中量子效应可以忽略。由于气体中分子的相互作用一般都是相当小的,因此麦克斯韦速率分布律提供了气体状态的非常好的近似。

在许多情况下(例如非弹性碰撞),这些条件不适用。例如,在电离层和空间等离子体的物理学中,特别对电子而言,重组和碰撞激发(也就是辐射过程)是重要的。如果在这个情况下应用麦克斯韦速率分布律,就会得到错误的结果。另外一个不适用麦克斯韦速率分布律的情况,就是当气体的量子热波长与粒子之间的距离相比不够小时,由于有显著的量子效应也不能使用麦克斯韦速率分布律。另外,由于它是基于非相对论的假设,因此麦克斯韦速率分布律不能做出分子的速度大于光速的概率为零的预言

还应当指出,麦克斯韦速率分布律只适用于处在平衡态的气体;对于处在非平衡态的气体,麦克斯韦速率分布律并不适用;对少量分子组成的系统,也不存在麦克斯韦速率分布律这样的统计规律。尽管速率分布函数不能提供单个分子的详细信息,但它是非常有用的。借助它,我们可以计算出分子的平均速率及方均速率,从而计算出系统的宏观量,如温度或压强。

什么是麦克斯韦分布律?

定义

当温度一定时,气体分子速率平方的平均值是一定的。在任何一瞬间,分子的速率大小可能有许多值:有些分子速率为零;而同时又有一些分子的速率比平均速率大得多。究竟某一速率内的分子有多少个,另一速率内的分子又有多少个,可由分子速率分布来说明。当分子数目很大时,速率的分布必然服从一定的统计规律,即速率分布定律。首先由麦克斯韦从理论推出其公式,气体分子速率分布定律的公式,称为麦克斯韦速率分布定律。

麦克斯韦速率分布函数的概念是什么?

麦克斯韦速率分布函数是:在某一时刻,某一特定分子的速度大小是不可预知的,且运动方向也是随机的。但在一定的宏观条件下,对大量气体分子而言,它们的速度分布却遵从一定的统计规律。

定义

分子动理论认为,气体系统内大量分子无规则热运动导致分子之间频繁地相互碰撞,分子以大小不同的速率向各个方向运动,在频繁的碰撞过程中,分子间不断交换动量和能量,使每一分子的速度不断变化。

处于平衡态的气体,每个分子瞬时速度的大小、方向都在随机地变化,但就大量分子的整体来看,在一定的条件下,气体分子的速度分布也遵从一定的统计规律。这个规律也叫麦克斯韦速率分布律。

版权声明