Уравнение Больцмана - Boltzmann equation

Место кинетического уравнения Больцмана на ступенях модельной редукции от микроскопической динамики к макроскопической континуальной динамике (иллюстрация к содержанию книги[1])

В Уравнение Больцмана или Уравнение переноса Больцмана (BTE) описывает статистическое поведение термодинамическая система не в состоянии равновесие, разработанный Людвиг Больцманн в 1872 г.[2]Классическим примером такой системы является жидкость с участием градиенты температуры в космосе, вызывая перетекание тепла из более горячих регионов в более холодные за счет случайного, но смещенного переноса частицы составляя эту жидкость. В современной литературе термин уравнение Больцмана часто используется в более общем смысле, имея в виду любое кинетическое уравнение, которое описывает изменение макроскопической величины в термодинамической системе, такой как энергия, заряд или число частиц.

Уравнение возникает не из анализа индивидуального позиции и импульсы каждой частицы в жидкости, а рассматривая распределение вероятностей для положения и импульса типичной частицы, то есть вероятность что частица занимает данную очень маленький область пространства (математически элемент объема ) с центром в позиции , и имеет импульс, почти равный заданному вектору импульса (таким образом занимая очень небольшую область импульсное пространство ), в момент времени.

Уравнение Больцмана можно использовать для определения того, как изменяются физические величины, например высокая температура энергия и импульс, когда жидкость находится в транспорте. Можно также получить другие свойства, характерные для жидкостей, такие как вязкость, теплопроводность, и электрическая проводимость (рассматривая носители заряда в материале как газ).[2] Смотрите также уравнение конвекции – диффузии.

Уравнение представляет собой нелинейный интегро-дифференциальное уравнение, а неизвестная функция в уравнении представляет собой функцию плотности вероятности в шестимерном пространстве положения и импульса частицы. Проблема существования и уникальности решений до сих пор полностью не решена, но некоторые недавние результаты весьма многообещающие.[3][4]

Обзор

Фазовое пространство и функция плотности

Набор всех возможных позиций р и импульсы п называется фазовое пространство системы; другими словами набор из трех координаты для каждой координаты позиции х, у, г, и еще по три для каждой компоненты импульса пИкс, пу, пz. Всего 6-размерный: точка в этом пространстве (р, п) = (х, у, г, рИкс, пу, пz), и каждая координата равна параметризованный по времени т. Небольшой объем («дифференциал элемент объема ") написано

Поскольку вероятность N молекулы, которые все имеют р и п в пределах   под вопросом, в основе уравнения лежит величина ж который дает эту вероятность на единицу объема фазового пространства, или вероятность на единицу длины в кубе на единицу количества движения в кубе, в момент времени т. Это функция плотности вероятности: ж(р, п, т), определенная так, что,

количество молекул, которые все иметь позиции, лежащие внутри элемента объема около р и импульсы, лежащие в импульсное пространство элемент около п, вовремя т.[5] Интеграция по области позиционного пространства и импульсного пространства дает общее количество частиц, которые имеют позиции и импульсы в этой области:

который является 6-кратный интеграл. В то время как ж связано с рядом частиц, фазовое пространство для одной частицы (не для всех из них, что обычно имеет место с детерминированный многотельный систем), поскольку только одна р и п под вопросом. Это не часть анализа для использования р1, п1 для частицы 1, р2, п2 для частицы 2 и т. д. до рN, пN для частицы N.

Предполагается, что частицы в системе идентичны (таким образом, каждая имеет идентичный масса м). Для смеси более чем одного химические вещества, для каждого требуется одно распределение, см. ниже.

Основное заявление

Тогда общее уравнение можно записать как[6]

где термин "сила" соответствует силам, действующим на частицы внешним воздействием (а не самими частицами), термин "diff" представляет собой распространение частиц, а "coll" - столкновение термин - учет сил, действующих между частицами при столкновении. Выражения для каждого члена с правой стороны приведены ниже.[6]

Обратите внимание, что некоторые авторы используют скорость частицы v вместо импульса п; они связаны в определении импульса соотношением п = мv.

Условия силы и диффузии

Рассмотрим частицы, описываемые ж, каждый испытывает внешний сила F не из-за других частиц (см. термин столкновения для последней трактовки).

Предположим во время т некоторое количество частиц все имеют положение р внутри элемента и импульс п в пределах . Если сила F мгновенно действует на каждую частицу, а затем на время т + Δт их позиция будет р + Δр = р + пΔт/м и импульс п + Δп = п + FΔт. Тогда при отсутствии коллизий ж должен удовлетворить

Отметим, что мы использовали тот факт, что элемент объема фазового пространства   является константой, которую можно показать с помощью Уравнения Гамильтона (см. обсуждение под Теорема Лиувилля ). Однако, поскольку столкновения действительно происходят, плотность частиц в объеме фазового пространства  ' изменения, поэтому

 

 

 

 

(1)

где Δж это Всего изменение в ж. Разделение (1) от   Δт и переходя в пределы Δт → 0 и Δж → 0 имеем

 

 

 

 

(2)

Общая дифференциал из ж является:

 

 

 

 

(3)

где ∇ - градиент оператор · это скалярное произведение,

является сокращением для импульсного аналога ∇, и êИкс, êу, êz находятся Декартово единичные векторы.

Заключительное заявление

Разделение (3) от dt и подставив в (2) дает:

В контексте, F(р, т) это силовое поле действуя на частицы в жидкости, и м это масса частиц. Термин справа добавлен для описания эффекта столкновения между частицами; если он равен нулю, то частицы не сталкиваются. Бесстолкновительное уравнение Больцмана, в котором отдельные столкновения заменяются агрегированными взаимодействиями на большие расстояния, например Кулоновские взаимодействия, часто называют Уравнение Власова.

Это уравнение более полезно, чем основное, приведенное выше, но все же неполное, поскольку ж не может быть решен, если член коллизии в ж известен. Этот термин не может быть найден так же легко и обобщенно, как другие - это статистический термин, представляющий столкновения частиц, и требует знания статистики, которой подчиняются частицы, например Максвелл – Больцманн, Ферми – Дирак или Бозе-Эйнштейн раздачи.

Термин столкновения (Stosszahlansatz) и молекулярный хаос

Термин столкновения двух тел

Ключевой вывод, сделанный Больцман должен был определить член столкновения, возникающий исключительно из-за столкновений двух тел между частицами, которые, как предполагается, не коррелировали до столкновения. Это предположение Больцман назвал "Stosszahlansatz"и также известен как"молекулярный хаос предположение ". В этом предположении член столкновения может быть записан как интеграл импульсного пространства по произведению одночастичных функций распределения:[2]

где пА и пB - импульсы любых двух частиц (обозначенных как А и B для удобства) перед столкновением, п'А и п'B импульсы после столкновения,

- величина относительных импульсов (см. относительная скорость подробнее об этой концепции), и я(г, Ω) - это дифференциальное сечение столкновения, при котором относительные импульсы сталкивающихся частиц превращаются на угол θ в элемент телесный угол dΩ из-за столкновения.

Упрощения термина столкновения

Поскольку большая часть проблемы при решении уравнения Больцмана возникает из-за сложного члена столкновения, были предприняты попытки «смоделировать» и упростить член столкновения. Наиболее известное модельное уравнение принадлежит Бхатнагару, Гроссу и Круку.[7] В приближении BGK предполагается, что эффект молекулярных столкновений должен заставить неравновесную функцию распределения в точке физического пространства вернуться к максвелловской равновесной функции распределения и что скорость, с которой это происходит, пропорциональна частоте столкновений молекул. . Таким образом, уравнение Больцмана модифицируется к форме BGK:

где - частота столкновений молекул, а - локальная максвелловская функция распределения при заданной температуре газа в этой точке пространства.

Общее уравнение (для смеси)

Для смеси химических веществ, помеченных индексами я = 1, 2, 3, ..., п уравнение для видов я является[2]

где жя = жя(р, пя, т), а член коллизии

где f ′ = f ′(п'я, т) величина относительных импульсов равна

и яij - дифференциальное сечение, как и прежде, между частицами я и j. Интегрирование ведется по компонентам импульса в подынтегральном выражении (помечены как я и j). Сумма интегралов описывает вход и выход частиц вида я в элементе фазового пространства или вне его.

Приложения и расширения

Уравнения сохранения

Уравнение Больцмана может использоваться для вывода законов сохранения гидродинамики для массы, заряда, импульса и энергии.[8]:стр.163 Для жидкости, состоящей только из частиц одного вида, плотность числа п дан кем-то

Среднее значение любой функции А является

Поскольку уравнения сохранения включают тензоры, будет использоваться соглашение Эйнштейна о суммировании, когда повторяющиеся индексы в произведении указывают на суммирование по этим индексам. Таким образом и , где - вектор скорости частицы. Определить как некоторая функция импульса только, который сохраняется при столкновении. Предположим также, что сила является функцией только позиции, и что ж равен нулю для . Умножая уравнение Больцмана на А и интегрирование по импульсу дает четыре члена, которые, используя интегрирование по частям, можно выразить как

где последний член равен нулю, поскольку А сохраняется при столкновении. Сдача , масса частицы, интегральное уравнение Больцмана становится уравнением сохранения массы:[8]:12 168 стр.

где - массовая плотность, а - средняя скорость жидкости.

Сдача , импульса частицы, интегральное уравнение Больцмана превращается в уравнение сохранения импульса:[8]:15 169 стр.

где - тензор давления ( тензор вязких напряжений плюс гидростатический давление ).

Сдача , кинетической энергии частицы, интегральное уравнение Больцмана становится уравнением сохранения энергии:[8]:19 169 стр.

где - плотность кинетической тепловой энергии, а - вектор теплового потока.

Гамильтонова механика

В Гамильтонова механика, уравнение Больцмана часто записывается в более общем виде как

где L это Оператор Лиувилля (существует несовместимое определение между оператором Лиувилля, как определено здесь, и оператором в статье, ссылка на который есть), описывающим эволюцию объема фазового пространства и C - оператор столкновения. Нерелятивистская форма L является

Квантовая теория и нарушение сохранения числа частиц

Можно записать релятивистские квантовые уравнения Больцмана для релятивистский квантовые системы, в которых число частиц не сохраняется при столкновениях. Это имеет несколько приложений в физическая космология,[9] в том числе формирование легких элементов в Нуклеосинтез Большого взрыва, производство темная материя и бариогенез. Априори не ясно, может ли состояние квантовой системы характеризоваться классической фазовой пространственной плотностью ж. Однако для широкого класса приложений вполне определенное обобщение ж существует решение эффективного уравнения Больцмана, которое может быть получено из первых принципов квантовая теория поля.[10]

Общая теория относительности и астрономия

Уравнение Больцмана полезно в галактической динамике. Галактика при определенных предположениях может быть представлена ​​как сплошная жидкость; его массовое распределение тогда представлено ж; в галактиках физические столкновения между звездами очень редки, и эффект гравитационные столкновения можно пренебречь гораздо дольше, чем возраст вселенной.

Его обобщение в общая теория относительности.[11] является

где Γαβγ это Символ Кристоффеля второго типа (это предполагает отсутствие внешних сил, так что частицы движутся по геодезическим в отсутствие столкновений), с важной тонкостью, заключающейся в том, что плотность является функцией смешанной контравариантно-ковариантной (Икся, пя) фазовое пространство в отличие от полностью контравариантного (Икся, пя) фазовое пространство.[12][13]

В физическая космология полностью ковариантный подход был использован для изучения космического микроволнового фонового излучения.[14] В более общем плане изучение процессов в ранняя вселенная часто пытаются учесть влияние квантовая механика и общая теория относительности.[9] В очень плотной среде, образованной первичной плазмой после Большой взрыв, частицы непрерывно рождаются и уничтожаются. В такой среде квантовая когерентность и пространственное расширение волновая функция может повлиять на динамику, что ставит под сомнение то, что классическое распределение фазового пространства ж которое появляется в уравнении Больцмана, подходит для описания системы. Однако во многих случаях можно вывести эффективное уравнение Больцмана для обобщенной функции распределения из первых принципов квантовая теория поля.[10] Это включает формирование световых элементов в Нуклеосинтез Большого взрыва, производство темная материя и бариогенез.

Решение уравнения

Доказано, что в некоторых случаях существуют точные решения уравнений Больцмана;[15] этот аналитический подход обеспечивает понимание, но обычно не используется в практических задачах.

Вместо, численные методы (включая конечные элементы ) обычно используются для поиска приближенных решений различных форм уравнения Больцмана. Примеры приложений варьируются от гиперзвуковая аэродинамика в потоках разреженного газа[16][17] плазменным потокам.[18] Применение уравнения Больцмана в электродинамике - вычисление электропроводности - результат в первом порядке совпадает с полуклассическим результатом.[19]

Рядом с локальное равновесие, решение уравнения Больцмана можно представить в виде асимптотическое разложение в полномочиях Число КнудсенаЧепмен-Энског расширение[20]). Первые два члена этого разложения дают Уравнения Эйлера и Уравнения Навье-Стокса. У высших членов есть особенности. Проблема математического развития предельных процессов, которые ведут от атомистической точки зрения (представленной уравнением Больцмана) к законам движения сплошных сред, является важной частью Шестая проблема Гильберта.[21]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ {Горбань, Александр Н .; Карлин, Илья В. (2005). Инвариантные многообразия для физической и химической кинетики.. Конспект лекций по физике (LNP, vol. 660). Берлин, Гейдельберг: Springer. Дои:10.1007 / b98103. ISBN  978-3-540-22684-0. Альтернативный URL
  2. ^ а б c d Энциклопедия физики (2-е издание), Р. Г. Лернер, Г. Л. Тригг, издатели VHC, 1991, ISBN (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1, ISBN (VHC Inc.) 0-89573-752-3.
  3. ^ DiPerna, R.J .; Львов, П.-Л. (1989). «О задаче Коши для уравнений Больцмана: глобальное существование и слабая устойчивость». Анна. математики. 2. 130 (2): 321–366. Дои:10.2307/1971423. JSTOR  1971423.
  4. ^ Филип Т. Грессман И Роберт М. Стрейн (2010). «Глобальные классические решения уравнения Больцмана с дальнодействующими взаимодействиями». Труды Национальной академии наук. 107 (13): 5744–5749. arXiv:1002.3639. Bibcode:2010PNAS..107.5744G. Дои:10.1073 / pnas.1001185107. ЧВК  2851887. PMID  20231489.
  5. ^ Хуанг, Керсон (1987). Статистическая механика (Второе изд.). Нью-Йорк: Вили. п.53. ISBN  978-0-471-81518-1.
  6. ^ а б Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е издание), К. Б. Паркер, 1994, ISBN  0-07-051400-3.
  7. ^ Bhatnagar, P.L .; Gross, E. P .; Крук, М. (1954-05-01). «Модель столкновительных процессов в газах. I. Малоамплитудные процессы в заряженных и нейтральных однокомпонентных системах». Физический обзор. 94 (3): 511–525. Bibcode:1954ПхРв ... 94..511Б. Дои:10.1103 / PhysRev.94.511.
  8. ^ а б c d de Groot, S. R .; Мазур, П. (1984). Неравновесная термодинамика. Нью-Йорк: Dover Publications Inc. ISBN  978-0-486-64741-8.
  9. ^ а б Эдвард Колб и Майкл Тернер (1990). Ранняя Вселенная. Westview Press. ISBN  9780201626742.
  10. ^ а б М. Древес; К. Венигер; С. Мендизабал (8 января 2013 г.). «Уравнение Больцмана из квантовой теории поля». Phys. Lett. B. 718 (3): 1119–1124. arXiv:1202.1301. Bibcode:2013ФЛБ..718.1119Д. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.11.046. S2CID  119253828.
  11. ^ Элерс Дж. (1971) Общая теория относительности и космология (Варенна), Р. К. Сакс (Академик Пресс, Нью-Йорк); Торн К. С. (1980) Ред. Мод. Phys., 52, 299; Эллис Г. Ф. Р., Трециокас Р., Матраверс Д. Р. (1983) Ann. Phys., 150, 487}.
  12. ^ Деббаш, Фабрис; Виллем ван Леувен (2009). "Общее релятивистское уравнение Больцмана I: ковариантное рассмотрение". Physica A. 388 (7): 1079–1104. Bibcode:2009PhyA..388.1079D. Дои:10.1016 / j.physa.2008.12.023.
  13. ^ Деббаш, Фабрис; Виллем ван Леувен (2009). «Общее релятивистское уравнение Больцмана II: явно ковариантное рассмотрение». Physica A. 388 (9): 1818–34. Bibcode:2009PhyA..388.1818D. Дои:10.1016 / j.physa.2009.01.009.
  14. ^ Маартенс Р., Гебби Т., Эллис GFR (1999). «Анизотропия космического микроволнового фона: нелинейная динамика». Phys. Ред. D. 59 (8): 083506
  15. ^ Филип Т. Грессман, Роберт М. Стрейн (2011). «Глобальные классические решения уравнения Больцмана без угловой обрезки». Журнал Американского математического общества. 24 (3): 771. arXiv:1011.5441. Дои:10.1090 / S0894-0347-2011-00697-8. S2CID  115167686.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  16. ^ Эванс, Бен; Морган, Кен; Хасан, Убей (01.03.2011). «Разрывное конечно-элементное решение кинетического уравнения Больцмана в бесстолкновительной и БГК-формах для макроскопических потоков газа». Прикладное математическое моделирование. 35 (3): 996–1015. Дои:10.1016 / j.apm.2010.07.027.
  17. ^ Evans, B .; Уолтон, С.П. (декабрь 2017 г.). «Аэродинамическая оптимизация гиперзвукового космического корабля на основе решения уравнения Больцмана – БГК и эволюционной оптимизации». Прикладное математическое моделирование. 52: 215–240. Дои:10.1016 / j.apm.2017.07.024. ISSN  0307-904X.
  18. ^ Pareschi, L .; Руссо, Г. (2000-01-01). "Численное решение уравнения Больцмана I: спектрально точное приближение оператора столкновений". Журнал SIAM по численному анализу. 37 (4): 1217–1245. CiteSeerX  10.1.1.46.2853. Дои:10.1137 / S0036142998343300. ISSN  0036-1429.
  19. ^ H.J.W. Мюллер-Кирстен, Основы статистической механики, Глава 13, 2-е изд., World Scientific (2013), ISBN  978-981-4449-53-3.
  20. ^ Сидней Чепмен; Томас Джордж Коулинг Математическая теория неоднородных газов: изложение кинетической теории вязкости, теплопроводности и диффузии в газах, Издательство Кембриджского университета, 1970. ISBN  0-521-40844-X
  21. ^ «Тематический выпуск» Шестая проблема Гильберта'". Философские труды Королевского общества A. 376 (2118). 2018. Дои:10.1098 / rsta / 376/2118.

использованная литература

  • Харрис, Стюарт (1971). Введение в теорию уравнения Больцмана. Dover Книги. п. 221. ISBN  978-0-486-43831-3.. Очень недорогое введение в современный каркас (начиная с формального вывода из Лиувилля и иерархии Боголюбова – Борна – Грина – Кирквуда – Ивона (BBGKY), в которую помещено уравнение Больцмана). Большинство учебников статистической механики, таких как Хуанг, по-прежнему рассматривают эту тему, используя оригинальные аргументы Больцмана. Чтобы вывести уравнение, в этих книгах используется эвристическое объяснение, которое не раскрывает диапазон применимости и характерные допущения, которые отличают уравнения Больцмана от других уравнений переноса, таких как Фоккер – Планк или Уравнения Ландау.

внешние ссылки