Xreferat.com » Рефераты по физике » Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова

Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова

Уравнения Боголюбова


Уравнения Больцмана, идея которого принадлежит самому Больцману, не может считаться строгим. Действительно, запись этого уравнения, как уравнения непрерывности в m-пространстве с источниками (интеграл столкновений) в правой части, предполагает, во-первых, что изменение во времени функции распределения f(r, v, t) аддитивно относительно двух процессов, имеющих различное происхождение. Члены vi df/dxi и wi df/dvi в левой части


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова


или


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова


характеризуют потоки газа, возникающие вследствие существования градиента плотности и внешних полей, в то время как правые части возникают вследствие учета столкновений молекул. Таким образом предполагается, что потоки и столкновения не влияют друг на друга. Во-вторых, в интеграле столкновений значения функций Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова берутся в одной и той же точке пространства r, в то время как с учетом конечных размеров молекул координаты в функциях Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова и в функциях Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова должны быть выбраны различными.

Далее, как мы уже упоминали, классический вывод уравнения Больцмана предполагает отсутствие корреляций между скоростями молекул. Наконец, что наиболее существенно, в уравнении Больцмана учитываются только попарные столкновения молекул, и нет более или менее очевидного рецепта, позволяющего учесть столкновения групп из трех, четырех и более молекул. Между тем ясно, что учет таких процессов существен для плотных газов.

В приближении парных соударений длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова

(s — эффективное сечение парных столкновений).


Как известно, это приводит к тому, что коэффициенты переноса: А — коэффициент теплопроводности, a — коэффициент вязкости, не зависят от плотности п и, стало быть, от давления. При учете многочастичных столкновений выражение для l должно иметь вид


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова,


где коэффициенты a, А возникают в связи с учетом трехчастичных, коэффициенты b и В — в связи с учетом четырехчастичных и т. д. столкновений. В результате для длины пробега и для коэффициентов переноса должны возникнуть вириальные разложения такого же типа, какие возникают в статистической физике для уравнения состояния неидеального газа.

В связи со сказанным целесообразно подойти более строго к проблеме вывода кинетического уравнения и к его возможным обобщениям. Это можно сделать с помощью весьма общего и строгого метода, предложенного Н. Н. Боголюбовым, к краткому изложению которого мы и переходим.

Имеем систему из N одинаковых частиц, состояние которой в классической механике мы будем задавать с помощью 2N векторов ri, vi. Совокупность ri, и vi мы для краткости будем обозначать символом xi а произведение d3rid3vi - символом dxi.

Введем функцию распределения F(N)(x1, … ,xN, t) в Г-пространстве, считая координатами бN-мерного Г-пространства координаты и проекции скоростей всех частиц. Выражение


F{N)(х1, х2, ... , xN, t)dx1dx2 ... dxN


дает вероятность того, что изображающая точка в Г-пространстве находится в объеме dx1, dx2 ... dxN, а функция F(N) нормирована на единицу


т F{N)(х1, х2, ... , xN, t)dx1dx2 ... dxN=1. (1)


Будем в дальнейшем считать, что внешние поля отсутствуют и частицы взаимодействуют с потенциалом взаимодействия U(rik) = ти (rik). Для исключения граничных эффектов мы будем рассматривать термодинамический предел, при котором Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, a w=V/N остается конечным.

Дальнейшие рассуждения основаны на уравнении Лиувилля, которое мы запишем здесь в виде


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, (2)


где оператор Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова называется оператором Лиувилля и определяется формулой


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (3)


причем wi, k = -ди (ri,k)/dri - ускорение, придаваемое i-й частице взаимодействием с k-й частицей. Функции распределения r(р, q) и функции F{N) (ri, vi, t) по существу идентичны, и, следовательно, F(N) (xi, t) подчиняется уравнению


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова


Следует обратить внимание читателя на следующие принципиальные свойства уравнения Лиувилля.

1. Функция F(N) (х1, х2, ... , xN, t) лишь «насильственно» была нами связана с вероятностными представлениями. Мы могли бы рассматривать ее не как плотность вероятности для единичной системы с координатами ri, vi, а как произвольно заданную в начальный момент времени функцию распределения для ансамбля систем - ансамбля Гиббса.

Иначе говоря, мы можем себе представить, что при t = 0 мы «приготовляем» ансамбль, т. е. произвольным образом «высыпаем» изображающие точки в фазовое пространство, задавая тем самым F{N) {x1, ..., xN, 0). В дальнейшем эти «высыпанные» точки «плывут» по своим фазовым траекториям, подчиняясь исключительно законам механики. Таким образом, уравнение (2) вовсе не имеет статистического вероятностного содержания, а несет в себе только чисто механическую информацию.

2. Уравнение Лиувилля, являясь уравнением первого порядка по времени, описывает причинно-обусловленное изменение функции F(N)(х1, ..., xN, t). При заданном ее начальном значении F(N) (х1, ... , xN, 0) уравнение (2) однозначно предсказывает все будущие значения F(N)(xi,t).

3. Как и всякое уравнение классической механики, уравнение Лиувилля обратимо во времени. Это значит, что при замене t на -t оно остается неизменным. Следовательно, наряду с «прямым» движением экземпляров ансамбля, столь же возможным при соответствующем изменении начальных условий, является и «обращенное» движение.

4. В свете сказанного неудивительно, что решение уравнения Лиувилля эквивалентно решению динамической задачи, т. е. нахождению всех динамических траекторий. Формально это видно из того, что характеристики уравнения (2) имеют вид


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова,


из которых следуют уравнения динамики в форме Ньютона


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова.


Физически это следует из того, что мы можем «приготовить» начальный ансамбль в виде Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, т. е. «высыпать» все изображающие точки в одну точку фазового пространства. В силу однозначности решения уравнения Лиувилля при заданном начальном условии движение изображающей точки и будет описывать эволюцию одной единственной динамической системы. Таким образом, наряду с методами решения задач динамики, основанными на интегрировании уравнений Ньютона, Лагранжа, Гамильтона и Гамильтона -Якоби, существует еще один метод - метод интегрирования уравнения Лиувилля. Однако для системы с огромным числом частиц этот метод столь же непригоден и столь же не нужен, как и все остальные, а для решения задач макроскопической неравновесной физики следует переходить к вероятностным методам.

Введем с этой целью n-частичные функции распределения


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова. (4)

Эти функции подчинены следующему из (1) условию нормировки:


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, (5)


и если мы придаем вероятностный смысл функции F(N) (х1,....,xN, t),

то и функции Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова приобретают статистическую интерпретацию. Здесь и в дальнейшем мы опускаем для краткости индекс (N) в обозначении F(nN). Выражение Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова представляет собой вероятность того, что первые п частиц системы (а не ансамбля систем!) имеют координаты и скорости, лежащие в пределах (ri, ri + dri), (vi, vi + dvi).

Выведем систему дифференциальных уравнений, которым подчиняются функции Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова. Умножим с этой целью уравнение (2) на Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова и проинтегрируем полученное равенство, пользуясь выражением (3):


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (6)


Заметим теперь, что в этом уравнении третье, шестое и седьмое слагаемые тождественно равны нулю. Действительно, каждое из этих слагаемых представляет собой интеграл от трехмерной дивергенции: третье слагаемое — в пространстве координат молекулы i, шестое и седьмое —в пространстве скоростей молекулы i. По теореме Гаусса они могут быть преобразованы в интеграл по граничной поверхности. Но функция Fn обращается в нуль, когда координаты любой частицы газа соответствуют точкам, лежащим на абсолютно непроницаемой стенке сосуда и, с другой стороны, функция распределения Fn стремится к нулю, когда Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова. Поэтому интеграл от дивергенции равен нулю и в координатном пространстве, и в пространстве скоростей. С другой стороны, пятое слагаемое в (6) можно преобразовать следующим образом. Отдельные слагаемые суммы по k отличаются лишь обозначением переменной интегрирования


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова.


Таким образом, получаем окончательно систему уравнений


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова. (7)


Эта система в зарубежной литературе называется обычно ББКГИ-системой (Борн, Боголюбов, Кирквуд, Грин, Ивон). Мы будем в дальнейшем для краткости, а также потому, что Боголюбову принадлежит наиболее детальный ее анализ, называть ее системой уравнений Боголюбова. Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова в формуле (7) есть оператор Лиувилля для подсистемы из п частиц. Система уравнений Боголюбова является «зацепляющейся», так как уравнения для функции Fn содержат в правой части функцию Fn+1. Физически это отражает факт незамкнутости любой группы из n молекул (n<N), взаимодействующих с остальными N — n молекулами. Оператор Лиувилля, как видно из (7), однозначно определяет временную эволюцию функции Fn(х1, ..., хп, t) для замкнутой системы частиц, в то время как правая часть (7) описывает ее незамкнутость.

Заметим, что последнее уравнение системы (7) для функции Fn является замкнутым и тождественным уравнению Лиувилля (2). С математической точки зрения интегрирование системы уравнений (7) следовало бы начинать с интегрирования этого уравнения. При этом, естественно, не нужно было бы интегрировать остальные N — 1 уравнения системы, так как все n-частичные функции распределения могут быть найдены по формулам (4), после того как найдена функция FN(x1, ..., xN, t), и система вообще стала бы не нужной. Однако, как мы уже говорили, интегрирование уравнения Лиувилля представляет собой невыполнимую практически задачу.

Таким образом, физически разумный метод решения системы уравнений Боголюбова заключается в том, чтобы начинать эту процедуру не с последнего уравнения для функции FN, а с первого для функции F1 и пытаться тем или иным способом «оборвать» эту систему. Если оказывается возможным выразить некоторую функцию Fn+1 как функционал от функций Fl (lУравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбоваn), то такой «обрыв» системы (7) становится возможным, и мы придем к системе с конечным числом уравнений. В частности, если удается тем или иным способом выразить как функционал от F1 (x1, t) функцию F2 (х1, х2, t), мы получаем уравнение для одночастичной функции F1 (xl, t), которую принято называть кинетическим уравнением. Уравнение Больцмана и уравнение Фоккера-Планка представляют собой частные случаи кинетических уравнений.

Мы уделяем особое внимание одночастичной и двухчастичной функциям F1 (xl, t) и F2 (xl, x2, t) по следующим причинам. Через одночастичную функцию могут быть выражены важные для газодинамического описания величины: средняя плотность числа частиц n(r, t), средняя скорость потока частиц и(r, t), средняя кинетическая энергия 3/2T(r, t), которые определяются формулами

Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (8)

Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (9)

Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (10)


И другие важные для газодинамики величины, такие как тензор вязких сил, поток тепла и т. д., выражаются через одночастичные функции распределения. Двухчастичная функция распределения имеет особо важное значение для равновесного состояния системы. В равновесном состоянии она описывает корреляции между положениями частиц, имеющие, важное значение в теории флуктуации и в теории фазовых переходов.

Заметим, наконец, что в определение n-частичных функций Fn(x1, ..., хN, t), так же как и в определение FiN) (х1, ..., xN, t), вероятностный смысл был нами вложен «насильственно», и мы по существу получили систему уравнений (7), полностью эквивалентную уравнению Лиувилля, совершенно не связывая функции Fn с вероятностными характеристиками единичной системы. Отсюда следует, что система уравнений (7) есть система механических, а не статистических уравнений. Неудивительно поэтому, что эта система, так же как и уравнение Лиувилля, инвариантна по отношению к отражению времени — замене Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбоваи не может описывать необратимые макроскопические процессы. Необратимость вносится в формализм теории только определенными гипотезами сугубо вероятностного характера. Запишем в явном виде уравнения для F1 и F2, которыми нам придется заниматься более детально; при этом мы отбросим в множителе (N — n)/V, входящем в (7) слагаемое n=1, 2:


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, (11)


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (12)


где Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, (13)


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (14)


Безразмерная форма уравнений Боголюбова. Факторизация и корреляционные функции. Свободно-молекулярное течение

Рассмотрим некоторые приближенные методы интегрирования системы уравнений Боголюбова. Эти методы основаны на том, что в двух случаях - весьма разреженного газа и при слабом взаимодействии между частицами газа - влияние одной частицы на состояние других частиц должно становиться слабым, и можно сделать пробное допущение о том, что в нулевом приближении n-частичная функция распределения факторизуется, т. е. представляется в виде произведения одночастичных функций


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова. (15)


Отклонение точной n-частичной функции от факторизованного нулевого приближения принято характеризовать с помощью так называемых корреляционных функций Gn (x1, ..., хп, t), которые находятся по следующей схеме.

Для двухчастичной функции имеем

F2(0) (х1, х2, t) = F1 (х1, t) F1 (х2, t), (16)

F2 (x1, x2, t) = F2(0) (x1, x2, t) + G2 (x1, x2, t). (17)

Для трехчастичной функции -

F3(0) (х1, х2,x3, t) = F1 (х1, t) F1 (х2, t) F1 (х3, t), (18)

Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (19)


и т. д.

Сформулируем теперь количественно условие разреженности газа и условие слабости взаимодействия. Пусть r0 — радиус действия межмолекулярных сил и U0 — характерная величина потенциальной энергии взаимодействия. Случай разреженного газа осуществляется, если r0 много меньше среднего расстояния между частицами ω1/3, и, следовательно, в этом случае малым параметром задачи является величина Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова. Случай слабого взаимодействия реализуется, если потенциальная энергия мала по сравнению с кинетической энергией ~ Т. Следовательно, в этом случае малым параметром задачи является величина β= U0/T.

Допустим, что в обоих случаях корреляции между координатами и скоростями частиц являются слабыми и корреляционные функции Gn (x1, ..., хп, t) малыми по параметрам а или β соответственно.

Для того чтобы построить методы решения системы уравнений Боголюбова в этих предположениях, запишем систему (7) в более детализированном виде


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (20)


выделив в операторе Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова слагаемые, содержащие и не содержащие потенциал взаимодействия


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (21)

Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (22)


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (23)


Перейдем в уравнениях (20) безразмерным переменным, выбрав в качестве единицы длины r0, скорости Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, ускорения Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова и времени Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова. Для простоты мы не будем вводить новые обозначения для безразмерных переменных и сделаем в уравнениях (20) замены


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (24)


Кроме того, учитывая условие нормировки (19) для функци Fn(x1, ..., хN, t), из которого видно, что Fn имеет размерность Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, введем безразмерную функцию распределения с помощью замены


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (25)


Тогда уравнения Боголюбова (20) при Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова запишутся в виде


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (26)


Заметим, что, предполагая факторизацию функций Fn в нулевом приближении,

Fn(0) = F1 (х1, t) F1 (х2, t)…F1(xn,t), мы получим для одной и той же функции F1 (xi, t) N уравнений. Ясно, что необходимым условием допустимости факторизации является совместность этих уравнений нулевого приближения.

Убедимся, что случай разреженного газа (Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова) Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова приводит в нулевом приближении к несамосогласованной системе. Действительно, система уравнений (26) в нулевом приближении выглядит следующим образом:


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова


Легко видеть, что уравнения этой системы будут совместными только при условии отсутствия взаимодействия между частицами wik = 0. Следовательно, в случае разреженного газа корреляциями нельзя пренебрегать даже в нулевом приближении. Собственно говоря, этого следовало ожидать, так как для разреженного газа а << 1 «хорошим» кинетическим уравнением является уравнение Больцмана, которое несовместимо с требованием факторизации. Мы видели, что вывод уравнения Больцмана по Боголюбову предполагает только факторизацию функции F2 в «бесконечном прошлом».

Рассмотрим случай β = U0/T <<; 1, Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, что соответствует горячему газу со слабым взаимодействием между частицами, который, однако, может быть достаточно плотным. Фактически при типичной глубине потенциальной ямы U0~ (10-1 - 10-2) эв U0/T<<1 выполняется уже при комнатных температурах. В этом случае в нулевом приближении получаем незацепляющиеся уравнения

Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (27)


в которых переменные х1,..., хп разделяются. Это значит, что предположение Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбоваявляется самосогласованным и одночастичная функция F1(0)(r, v, t) подчиняется уравнению

Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (28)

Интегрируя уравнение характеристик


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (29)


находим, что решение уравнения (28) имеет вид


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (30)


где ψ(r,v,t) - произвольная функция своих аргументов, совместимая с начальными и граничными условиями. Из выражения (30) следует, что F1(0)(r, v, t) остается постоянной вдоль динамической траектории частиц в μ-пространстве, чего и следовало ожидать для системы слабо взаимодействующих частиц в нулевом приближении.

Следующие приближения для функций Fn могут быть найдены последовательно из уравнений:


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (31)


Решая первое из этих уравнений, можно в принципе найти F1, решая затем второе уравнение — найти G2 и, следовательно, F2 и т. д.

Мы ограничимся нулевым приближением (30) и в качестве иллюстрирующего примера рассмотрим задачу о свободном расширении газа в пустоту. Пусть в начальный момент t = 0 газ с максвелловским распределением по скоростям в одномерном случае занимает полупространство х<0. Затем стенка х = 0 удаляется и газ начинает расширяться.

Начальное распределение f(r, v, 0) задается тогда формулой


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, (32)


где σ (х) — ступенчатая функция (напоминаем, что функция f(r, v, t) связана с F1 (r, v, t) соотношением f = F1n = F1/ω).

Согласно соотношению (30) продолжение во времени функции f(х, v, 0) дается формулой


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (33)


Пространственная плотность числа частиц в точке х в момент времени t равна


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова, (34)

и средняя скорость газа u(x,t) равна


Уравнения Больцмана, Лиувилля, Боголюбова (35)


Так как п (х, t) и и (х,

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: