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由麦克斯韦速率分布律推出平动动能分布律
况勋朋
成都信息工程学院
大学物理论文附近的单位动能区间内的分子数与总分子数的比的函数的表达式。并由此进一步推出与麦克斯韦分布函数相对应的一些性质,并比较分析一些不同点。
麦克斯韦速率分布律
这个函数称为气体分子的速率分布函数麦克斯韦进一步指出,在平衡态下,分子速率分布函数可以具体地写为
?
式中T是气体系统的热力学温度,k是玻耳兹曼常量,m是单个分子的质量。式(8-30)称为麦克斯韦速率分布律。
图1 麦克斯韦速率分布函数
图画出了f (v)与v的关系曲线,这条曲线称为速率分布曲线。由图可见,曲线从坐标原点出发,随着速率的增大,分布函数迅速到达一极大值,然后很快减小,随速率延伸到无限大,分布函数逐渐趋于零。速率在从v1到v2之间的分子数比率?N/N,等于曲线下从v1到v2之间的面积, 如图中阴影部分所示。显然因为所有N个分子的速率必然处于从0到 ?之间,也就是在速率间隔从0到 ?的范围内的分子数占分子总数的比率为1,即?
这是分布函数f (v)必须满足的条件,称为归一化条件。
表示在平衡态下,理想气体分子速率在v1到v2麦克斯韦速率分布最概然速率,f(v)的极大值所对应的速率
其物理意义为:在平衡态的条件下,理想气体分子速率分布在附近的单位速率的分布区间内的分子数占气体总分子的百分率最大。
() 平均速率,用于研究分子碰撞
() 方均根速率,用于研究分子平均平动动能,
反映的是大量分子无规则运动速率的二次方的平均值的二次方根称为方均根速率。
推导及演绎:
由于分子的平动动能可表示为
两边同时取微分有
带入到麦克斯韦速率函数有
现定义为为气体分子的平动动能的分布函数。
平动动能在从之间的分子数比率?N/N,等于曲线下从到之间的面积, 如图中阴影部分所示。显然因为所有N个分子的速率必然处于从0到 ?之间,也就是在速率间隔从0到 ?的范围内的分子数占分子总数的比率为1,即?
这函数必须满足归一化条件 表示在平衡态下,理想气体分子速率在到最概然平动动能平均平动动能(1)粒子的最概然平动动能最概然平动动能的极值
由
化简
解出
而其所对应的速率
由此我们看到,最概然平动动能所对应的速率并不是麦克斯韦速率所求得的最概然速率。初看起来似乎很奇怪,可仔细想想,最概然速率代表的是速率分布在附近的单位速率的分布区间内的分子数占气体总分子的百分率最大时的速率。而最平动动能的概然值代表的是平动动能分布在附近的单位动能的分布区间内的分子数占气体总分子的百分率最大时的动能,其对应的速率却不是最该然速率。而计算发现这是其实是由于两个方程求极大值时对应的导函数不同。很显然求的的极大值也不同。
(2)粒子的平均平动动能
其中因为
所以
这个结果是显然的:有麦克斯韦分布律已经得到,这也证明了上面的推导的正确性。
总结:通过以上的讨论和分析,我们不仅进一步了解了麦克斯韦速率分布函数,及其结论,还能挖掘出衍生出来的气体平动动能的分布情况,这样我们会对气体动理论的本质有跟家深刻的理解。
引文:要善于在前人已有的基础之上做进一步试探性的研究,才能衍生出新的知识点,也能有助于深刻的理解原有的知识。
成都信息工程学院
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