Кинетическое уравнение
Основной
метод физической кинетики — решение
кинетического
уравнения Больцмана
для одночастичной функции распределения
молекул
в фазовом пространстве их координат
и
импульсов
.
Функция распределения удовлетворяет
кинетическому уравнению:
где
—
интеграл
столкновений,
определяющий разность числа частиц,
приходящих в элемент объёма вследствие
прямых столкновений и убывающих из него
вследствие обратных столкновений. Для
одноатомных молекул или для многоатомных,
но без учёта их внутренних степеней
свободы
где
—
вероятность столкновения, связанная с
дифференциальным эффективным
сечением рассеяния.
где
,
—
импульсы молекул до столкновения,
,
—
соответственно скорости,
,
—
их импульсы после столкновения,
,
—
функции распределения молекул до
столкновения,
,
—
их функции распределения после
столкновения.
Для
газа из сложных молекул, обладающих
внутренними степенями свободы, их
следует учитывать в функции распределения.
Например, для двухатомных молекул с
собственным моментом вращения M функции
распределения будут зависеть также от
.
Из
кинетического уравнения следует теорема
Больцмана — убывание со временем
-функции
Больцмана
(среднего логарифма функции распределения)
или возрастание энтропии, так как она
равна
-функции
Больцмана с обратным знаком.
Уравнения переноса
Физическая
кинетика позволяет получить уравнения
баланса для средней плотности вещества,
импульса и энергии. Например, для простого
газа плотность
,
гидродинамическая
скорость
и
средняя энергия
удовлетворяют
уравнениям баланса:
—
также
известное как уравнение
непрерывности
где
—
тензор плотности потока импульса,
—
масса частиц,
—
плотность числа частиц,
—
плотность потока энергии.
Если
состояние газа мало отличается от
равновесного, то в малых элементах
объёма устанавливается распределение,
близкое к локально равновесному
распределению
Максвелла,
с температурой, плотностью и
гидродинамической скоростью,
соответствующими рассматриваемой точке
газа. В этом случае неравновесная функция
распределения мало отличается от
локально равновесной и решение
кинетического уравнения даёт малую
поправку к последней, пропорциональную
градиентам температуры
и
гидродинамичой скорости
,
так как
.
С
помощью неравновесной функции
распределения можно найти поток энергии
(в неподвижной жидкости)
,
где
—
коэффициент теплопроводности, и тензор
плотности потока импульса
где
—
тензор вязких напряжении,
—
коэффициент сдвиговой вязкости,
—
давление. Эти два соотношения известны
в механике сплошных сред как закон
теплопроводности Фурье
и закон
вязкости Ньютона.
Для газов с внутренними степенями
свободы
содержит
также член
,
где
—
коэффициент «второй», объёмной вязкости,
проявляющейся лишь при движениях, в
которых
.
Для кинетических коэффициентов
,
,
получаются
выражения через эффективные сечения
столкновений и, следовательно, через
константы молекулярных взаимодействий.
В бинарной смеси поток вещества состоит
из диффузионного потока, пропорционального
градиенту концентрации вещества в смеси
с коэффициентом диффузии, и термодиффузионного
потока, пропорционального градиенту
температуры с коэффициентом термодиффузии,
а поток тепла, кроме обычного члена
теплопроводности, пропорционального
градиенту температуры, содержит
дополнительный, член, пропорциональный
градиенту концентрации и описывающий
эффект
Дюфура.
Кинетика даёт выражения для этих
кинетических коэффициентов через
эффективные сечения столкновений,
кинетические коэффициенты для перекрёстных
явлений, например термодиффузии и
эффекта Дюфура, вследствие теоремы
Онсагера
оказываются равными. Эти соотношения
являются следствием микроскопической
обратимости уравнений движения частиц
системы, то есть инвариантности их
относительно обращения времени.
Уравнение баланса импульса с учётом выражения для плотности потока импульса через градиент скорости даёт уравнения Навье — Стокса, уравнение баланса энергии с учётом выражения для плотности потока тепла даёт уравнение теплопроводности, уравнение баланса числа частиц определённого сорта с учётом выражения для диффузионного потока даёт уравнение диффузии. Такой гидродинамический подход справедлив, если длина свободного пробега значительно меньше характерных размеров областей неоднородности.
