Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Либов Р. Введение в теорию кинетических уравнений

.pdf
Скачиваний:
36
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
13.16 Mб
Скачать

4.6. Уравнение Фоккера Планка

257

чено в диэлектрической функции D. Фурье-образ Ф (к) —это образ неэкранированного парного взаимодействия, который появ­ ляется в уравнении Балеску — Ленарда в форме ФID. Наличие «фона» частиц вызывает экранирование х), которое в свою очередь усиливает неэкранированное парное взаимодействие Ф.

Этот краткий вводный обзор наиболее известных из недавно полученных кинетических уравнений завершает раздел, посвящен­ ный уравнению Фоккера —- Планка. Некоторые из наиболее важ­ ных свойств рассмотренных кинетических уравнений собраны в табл. 4.1.

Итак, мы ознакомились со свойствами наиболее широко при­ меняемых кинетических уравнений. В главе V дано решение уравнения Больцмана методом Чепмена — Энскога и методом Трэда. В заключение вновь исследуется проблема релаксации к равновесию макроскопических систем как в духе классической статистической механики, где мы опять сталкиваемся с ансамбля­ ми в Г-пространстве, так и методом эргодической гипотезы. Пер­ вый, априорный подход, опирается на постулат равных априорных вероятностей, тогда как при втором (апостериорном) подходе делаются попытки доказать эргодическую гипотезу. Оба метода исследуют необратимое приближение к равновесию макроскопи­ ческих систем. Они представляют собой статистическо-механиче- ский эквивалент метода теории кинетических уравнений, в кото­ ром с помощью ©#?-теоремы изучается та же самая проблема.

Задача 4.54. Напомним, что фурье-образ Ф (к) функции Ф (х) имеет вид

Ф (к) = — j j j е^^Ф (х) d3x.

Найти фурье-образ кулоновского взаимодействия Ф = е2!х.

Ответ.

Ф {к) = еѴ2лѢ2.

Задача 4.55. Уравнение Больцмана для двухкомпонентного газа имеет вид

= J (jFo і & a) + J (& а I *fb),

= J CFb I &a) + J ( ^ b I &ъ),

где — одночастичная функция распределения, / — интеграл столкновений следующего вида:

J {З'аІЗ'Ъ) = J (cF'aJF'b ^ ajFъ) d3%baabVab d&ab'1*

*) Для более детального ознакомления с этими вопросами, можно обра­ титься к монографии Монтгомери и Тидмена (1964), гл. 7.

1 7— 0 1 2 4 3

Таблица 4.1

Уравнение Вид уравнения

BHj

DFl

,

( N - 1) д

Г ,

 

üt

^

V д р /

] dz2GizF 2 - 0

 

 

 

 

(2.178а)

Клас­ сифи­

кация Уравнения сохранения Характерная траектория по вре­

мени

R Да; вытекают из кине­ тического уравнения с потенциальным вкладом в напряже­

ние

Точное уравнение

Свободно-молекуляр­

DFi .

R

Да

ного течения

D t - 0

<3 -79а)

 

Предполагается, что взаимодействие отсут­ ствует

Власова

^ + i < k ^ d2Gi2Fi{i)Fi(2)=0

(3.106)

R Да; дальнодействующая сила дает вклад в напряжение

Предполагается, что

F2 = FiFi или высокая температура и дально­ действие

Больцмана

(4-72)

ч

Крука—Бхатнагара—

2 I l ==v(F0 - F l)

(4.211)

Гросса (КБГ)

Фоккера—Планка

DFi _

. д , я Р

I 1 ^ .%F

(ФП)

Dt

д\

 

 

(4.230)

 

 

 

Второе Трэда

DFö

Г

_

 

_ _ і =

( N - 1) 9

F2odS■( h - h ) d3|2

 

 

Sa

(4.92)

R обра^шое; / —необратимое.

Продолжение табл. 4.1

I Да

Столкновения парные, однородна в обла­

сти столкновения

I Да, для постоянной частоты столкновений

Система находится вбли­ зи равновесия

I Да, для кулоновского взаимодействия

Преобладают далышдействующие столкно­ вения

R Да ѵ

Частицы взаимодейст­ вуют только па рас­

стоянии о

260 Гл. IV . Уравнения

Больцмана, Крука Бхатнагара Гросса и др.

Рассмотрим предельный случай:

j

= Па < Щ == j

 

Ма < М Ь.

Это означает, что плотность па и масса М а частиц a-газа много меньше соответствующих величин Ь-газа. В этом случае «пере­

крестные столкновения» / (jpa | jp ъ) определяют изменение функ­

ции $г а, тогда как «самостолкновелия» J (*Ръ I £Гъ) определяют эволюцию $рь-

а) Предполагая, что врь известна и равна постоянной и что ѴаЬоаЬ = СаЬ1,аЬ/4л = const, вывести уравнение

~jy. = ѴаЪ^ 3Fа J HFа dQ.abJ = ан-

б) Выяснить структуру двух членов, которые входят в .Fail- В предшествующем выражении индекс «ан» означает «анизотроп­ ный». Изотропная компонента Jp„3o удовлетворяет соотношению

SFи з о — J JP dQ.

Ответ, а)

Vab = Cab 2 ПЬ.

a b

б) Если легкая частица сталкивается с тяжелой (в системе координат, связанной с тяжелой частицей), то энергия легкой частицы сохраняется. Следовательно, а-частицы, которые после

столкновения приходят в интервал скоростей

около |,

должны

до столкновения быть в интервале

около

%' с

|

1

= | | |.

Чтобы учесть все вклады для данной

скорости

|,

мы

должны

просто проинтегрировать вра (|) по всем направлениям,

т. е. по

телесному углу 4я. С другой стороны, если а-частица испытывает столкновение, то вектор § изменяется и частица «выбрасывается» из элемента объема d31 около

С п и с о к л и т е р а т у р ы

А. Вопросы, связанные с обращением времени

Голд (Gold Т.)

(1962) The Arrow of Time, Am. J. Physics, 30, 403.

Ли (Lee T. D.)

(1966) Space Inversion, Time Reversal, and Particle-Antiparticle Conjugation,

Phys. Today, 19, 23.

Список литературы

261

Лошмидт (Loschmidt J.)

(1876—1877) Wien. Вег., 73, 139 (1876); 75, 67 (1877).

Рейхенбах (Reichenbach Н.)

(1956) The Direction of Time. Berkeley, University of California Press. Рус­ ский перевод: Рейхенбах Г., Направление времени, М., ИЛ, 1962.

Цермело (Zermelo Е.) (1896) Ann. Phys., 57, 485.

 

 

 

 

 

Б . Ранние работы по кинетической теории

Больцман

(Boltzmann

L.)

 

 

(1872)

 

 

 

Further Studies on the Thermal Equilibrium among Gas-Mole­

(1875)

 

 

cules,

Wien.

Ber., 66, 275.

 

 

On the Thermal

Equilibrium of Gases Subject to External For­

(1876)

 

 

 

ces,

Wien.

Ber.,

72, 427.

 

 

 

On the Formulation and Integration of Equations which Deter­

(1880—1883)

mine

the Molecular Motion in Gases, Wien. Ber., 74, 503.

Wien.

Ber.,

 

81, 117 (1880); 84, 40, 1230 (1881); 86, 63 (1882);

(1889)

 

 

 

88,

835

(1883).

 

 

 

 

Jahresb, d. D. Math. Verein, 6, 130.

Максвелл

(Maxwell

J.

C.)

 

(1867)

 

On the

Dynamical

Theory of Gases, Phil. Trans. Roy. Soc., 157, 49.

(1873)

 

Nature,

8,

537.

 

 

 

 

(1877)

 

Nature,

16,

244.

 

 

 

(1879)

 

On Stresses in Rarefied Gases Arising from Inequalities of Temperature,

 

 

Phil.

Trans.

Roy.

 

Soc.,. 170, 231.

 

В.

Кинетические

уравнения (см. также литературу к гл. I I I )

Балеску (Balescu

R.)

 

 

 

 

(1960)

 

Phys. Fluids,

3, 52.

 

Гросс, Бхатнагар, Крук (Gross Е., Bhatnager D., Krook М.)

(1954)

 

Phys.

Rev.,

94,

511.

 

Трэд

(Grad

Н.)

 

 

 

 

 

 

(1958)

Thermonuclear

Reaction Rates in an Electrical Discharge, NYO-7977,

(1958)

 

New York, University (Jan.).

 

Principles of the Kinetic Theory of Gases, Hand. d. Physik, vol XII,

(1960)

Berlin,

Springer.

 

 

 

Theory of Rarefied Gases, in Rarefied Gas Dynamics, ed. byF. Devien-

(1961)

 

ne, New York, Pergamon Press.

 

The Many

Faces

of Entropy, Comm. Pure and Ap. Math., 14, 323.

Кейлсон, Сторер (Keilson J., Störer J.)

(1952)

Quart. Ap. Math., 10, 243.

Кирквуд (Kirkwood

J.

G.)

 

(1947)

J. Chem. Phys., 15, 72.

 

Кирквуд, Росс (Kirkwood J. G., Ross J.)

(1958)

 

Proceedings

of

the

International Symposium on Transport Processes

 

 

in

Statistical Mechanics, I. Prigogine (ed.), New York, Interscience.

262 Гл. IV. Уравнения Больцмана, Крука Бхатнагара— Гросса и др.

Ландау Л. Д.

(1937) ЖЭТФ, 1, 203.

Ленард (Lenard А.)

(1960) Ann. Phys., 3, 390.

Монтгомери, Тидмен (Montgomery D., Tidman D.) (1964) Plasma Kinetic Theory, New York, McGraw-Hill.

Планк (Planck M.)

(1917) Sitz, der Preuss. Acad., 324.

Розенблют, Мак-Дональд, Джудд (Rosenbluth M., McDonald W., Judd D.) (1951) Phys. Rev., 107.

Уленбек, Вонг (Uhelenbeck G., Wang M. C.) (1945) Revs. Mod. Phys., 17, 323.

Фоккер (Fokker A.)

(1914) Ann. d. Physik, 43, 312.

Чандрасекхар (Chandrasekhar S.) (1943) Rev. Mod. Phys., 15, 1.

Г. Гидродинамика и кинетическая теория

Ватсон, Бонд, Уэлч (Watson К. М., Bond J. W., Welch J. А.)

(1965) Atomic Theory of Gas Dynamics, Reading, Mass., Addison-Wesley.

Гиршфельдер, Кертисс, Берд (Hirschfelder J. О., Curtiss С. F., Bird R. В.)

(1954) The Molecular Theory of Gases and Liquids, New York, Wiley. Русский перевод: Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, М., ИЛ, 1961.

Трэд (Grad Н.)

(1949) Comm. Pure and Ap. Math., 2, 331.

Гуггенгейм (Guggenheim E. A.)

(1960) Elements of the Kinetic Theory of Gases, New York, Pergamon Press.

Джинс

(Jeans

J.)

(1952)

An Introduction to the Kinetic Theory of Gases, Cambridge, Cambridge

(1946)

University Press.

Kinetic Theory of Gases, Cambridge, Cambridge University Press.

Зоммерфельд

(Sommerfeld A.)

(1956)

Thermodynamics and Statistical Mechanics, New York, Academic

 

Press. Русский перевод нем. изд.: Зоммерфельд А., Термодинамика

 

и статистическая физика, М., ИЛ, 1955.

Кеннард (Kennard Е. Н.)

(1938) Kinetic Theory of Gases, New York, McGraw-Hill.

Лоэб (Loeb L. B.)

(1934) The Kinetic Theory of Gases, 2d ed., New York, McGraw-Hill.

Паттерсон (Patterson G. N.)

(1956) Molecular Flow of Gases, New York, Wiley. Русский перевод: Паттер­ сон Г. Н., Молекулярное течение газов, М., Физматгиз, 1960.

Список обозначений к гл. IV

263

Презент (Present R. D.)

(1958) Introduction to the Kinetic Theory of Gases, New York, McGraw-Hill.

Уолдмен (Waldman L.)

(1958) Transporterscheinungen in Gasen von mittlerem Druck, Hand. d. Phy­ sik, vol. XII, p. 295—514, Berlin, Springer.

Чепмен, Каулинг (Chapman S., Cowling T. G.)

(1952) The Mathematical Theory of Non-Uniform Gases, Cambridge, Cam­ bridge University Press. Русский перевод: Чепмен С., Каулинг Т., Математическая теория неоднородных газов, М., ИЛ, 1960.

Д. Ші-теорема (см. также литературу к гл. V)

Больцман (Boltzmann L.)

(1964) Lecture on Gas Theory, translated by G. Brush, Berkeley, University of California Press. Русский перевод нем. изд.: Больцман Л., Лекции по теории газов, М., Гостехиздат, 1956.

Трэд (Grad Н.)

(1965) On Boltzmann’s ^-Theorem, J. Soc. Indust. Appl. Math., 13, 259"

-Либов, Фидель (Liboff R., Fedele J.) (1967) Phys. Fluids, 10, 1391.

Либовиц (Lebowitz J.)

(1961) Bull. Am. Phys. Soc., Ser. II, 6, 289.

Толмен (Tolman R. C.)

(1938) The Principles of Statistical Mechanics, Oxford.

Эренфест П., Эренфест Т. (Eherenfest Р., Eherenfest Т.) (1911) Encykl. d. Math. Wiss., vol IV, part 32, Leipzig.

E. Экспериментальный максвеллиан

Миллер, Куш (Miller R., Kusch P.) (1956) J. Chem. Phys., 25, 860.

Цартман (Zartman I. F.) (1931) Phys. Rev., 37, 383.

 

Список обозначений к гл. IV

■а — радиус твердой сферы,

а

—коэффициент Фоккера — Планка,

Ъ — радиус твердой сферы,

Ъ

безразмерный прицельный параметр,

264 Гл. IV. Уравнения Больцмана. Крука Бхатнагара— Гросса и др.

Ъ — коэффициент Фоккера — Планка, с — скорость света,

ЦМ —центр масс,

D — диаметр твердой сферы,

D — диэлектрическая функция,

D — область в конфигурационном пространстве, DIDt —индивидуальная производная по времени,

Е— энергия,

е— абсолютная внутренняя энергия,

Щ— относительная внутренняя энергия

на частицу,

Е

— плотность

относительной

внутренней

энергии,

/J

— одночастичное усеченное

распределение,

/о — абсолютное

распределение Максвелла, нормиро­

 

ванное на

единицу,

 

 

jFo

— абсолютное

распределение Максвелла, нормиро­

 

ванное на

N,

 

 

/° —локальное распределение Максвелла, нормиро­ ванное на единицу,

f s — усредненное по времени s-частичное распределе­ ние, нормированное на единицу,

jF — одночастичная функция распределения,, нормиро­ ванная на N,

2 — парная функция распределения,

G —сила взаимодействия между частицами,

3 ' = 43 (£') — значение динамической переменной после столк­ новения,

43 —макроскопическая переменная,

—kSß — энтропия1 Больцмана,

 

—kSëN — энтропия

Гиббса,

 

Н — гамильтониан,

 

 

I

— интегральный

оператор,

 

J

— интегральный

оператор

Больцмана,

К

— внешнее

силовое поле,

 

К — константа в выражении

для силы,

к —постоянная Больцмана,

 

I

— средний

свободный пробег,

L

— угловой

момент р-частицы,

Список обозначений

к гл. IV

265

т — масса

частицы,

 

 

М — масса

системы двух

тел,

 

п — плотность числа частиц,

О —оператор относительной энергии,

о— оператор абсолютной энергии,

р— относительный тензор давлений,

Р— импульс центра масс

р— канонический импульс

р— импульс р-частицы,

р' — импульс после столкновения,

р—импульс в системе координат ЦМ,

р— абсолютный тензор давлений,

Q — относительный вектор теплового потока, q — абсолютный вектор теплового потока,

q — плотность заряда,

R — радиус-вектор центра масс

бR ± —число частиц, которые (входят/покидают) фазовый элемент 6х6| за время 8t,

г — радиус-вектор между двумя частицами,

г0 — радиус взаимодействия,

S — вектор элемента площади поверхности, S — вектор Пойнтинга,

s — прицельный параметр, параметр столкновения, t0 — среднее время между столкновениями,

U — плотность энергии поля,

и—величина, обратная радиусу,

и— гидродинамическая скорость,

и— скалярная скорость в уравнении Балеску — Ле-

нарда, У — относительная скорость системы двух тел,

Т — потенциал взаимодействия частиц,

x s — каноническая координата s-й частицы,

а— единичный апсидальный вектор,

ß— безразмерный обратный радиус-вектор,

ß— безразмерная константа в выражении для силы,

Ф— потенциал взаимодействия частиц,

Ф — азимутальный угол рассеяния,

266 Гл. IV. Уравнение Больцмана, Крука Бхатнагара— Гросса и др.

ф — динамическая функция, ф — полярный азимут, Г — плотность импульса поля,

Г —кривая в пространстве (х, у), % — силовая постоянная,

Il<

— тензор скоростей деформаций,

*

— полином от микроскопической скорости,

? l=

— приведенная масса,

— частота столкновений,

— телесный угол,

ПСі

— тензор максвелловских напряжений,

С

— функция распределения условной вероятности,

 

ф — динамическая функция,

ф —угол рассеяния,

2

— полное сечение рассеяния,

а —дифференциальное сечение рассеяния,

т

— время столкновения,

Ѳ — угол рассеяния, Е — произвольная функция, I — скорость частицы,

I — скорость частицы в системе координат ЦМ.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ