• Nem Talált Eredményt

Eloszlásfüggvény külső erőtérben

In document Bevezetés a transzportelméletbe (Pldal 68-73)

A Boltzmann-egyenlet

3.4. Eloszlásfüggvény külső erőtérben

1 + N B(T) V

. (3.97)

A (3.95) összefüggés egyatomos gázra vonatkozik. Többatomos gázok esetében a potenciál nemcsak a részecskék közötti távolságtól függ, hanem kölcsönös irányuktól is. Ez utóbbi szerinti integrálás az egyatomos molekulák esetéhez hasonlóan elvégezhető, eredménye ismét V lesz, tehát a képletek érvényesek maradnak.

A képletek csak akkor értelmesek, ha a (3.94)-ben szereplő integrálás elvégezhető. Ez ak-kor áll fenn, ha U12 legalább 1/r3-nél gyorsabban tart nullához. Az elektromosan semleges molekulákra ez mindig teljesül, a részecskék kölcsönös irányaira átlagolt potenciál nagy tá-volságokra még dipóluserők esetén isU12∝1/r6szerint csökkennek. Ha viszont ez a feltétel nem teljesül, a gáz minden makroszkopikus darabjára a gáz távoli részei nagy erőkkel hatnak, a gáz homogenitása megszűnik. Az U12(r)potenciálra számos egyszerű modellt használnak.

Ezek közül a molekuláris dinamikában használják a merev gömb modellt: U12(r) = ∞ az r < σ tartományban és nulla azon kívül; a Lennard-Jones-potenciált, melynek alakja U12(r) =ar−k−6−br−k, ahol aza, béskértékét alkalmas módon kell választani. A poten-ciál általános jellemzője, hogy egy szűkr < σ tartományon erősen taszító, azon kívül pedig vonzó, maximális mélysége U0 véges,rnövekedtével gyorsan tart nullához.

AB(T)függvényt viriálegyütthatónak nevezik. Magas hőmérsékletenT >> U0, a teljes r > σ tartományon U12/T <<1 és a (3.94)-ben szereplő integrandus közel nulla, az integ-rált lényegében az r < σ tartomány határozza meg, ahol U12/T nagy és pozitív. Magas hőmérsékleten tehát B(T) pozitív. Alacsony hőmérsékleten T << U0, az integrálban az r > σ tartomány a meghatározó, ahol U12/T nagy negatív érték. Ennek megfelelőenB(T) negatív, hőmérséklet függését az exp−U0/T szorzó határozza meg. Mivel B(T) folytonos mennyiség, létezik olyanTBhőmérséklet, aholB(TB) = 0, ezt a hőmérsékletet Boyle-pontnak nevezik. Megemlítjük, hogy a (3.95) általánosítható az alábbi módon:

P =N T V

1 +N B(T)

V +N2C(T) V2 +. . .

. (3.98)

A (3.98) egyenletben az első tag az ideális gáznak, a második a két részecske kölcsönhatá-sának, a harmadik a három részecske kölcsönhatásának felel meg. A sorfejtésben a B, C, együtthatókat második, harmadik viriálegyütthatóknak nevezik.

3.4. Eloszlásfüggvény külső erőtérben

Amennyiben a részecskékre egy adott külső erő hat, az előzőekben ismertetett gondolatme-net nem használható. Megmutatjuk, hogy természetes módon adódik a Boltzmann-eloszlás olyan általánosítása, amely alkalmas a külső erő hatása alatt álló eloszlásfüggvényének meg-határozására.

Tegyük fel, hogy azS-et alkotó részecskékre

F=−∇ϕ(r) (3.99)

külső erő hat. Megmutatjuk, hogy az

f(r,v) =f0(v)e−ϕ(r)/kBT (3.100)

megoldása a (3.19) Boltzmann-egyenletnek. Itt f0(v) a (3.30) aszimptotikus eloszlásfügg-vény. Először, vegyük észre, hogy az (3.18) ütközési integrál felírásakor a megoldás potenciált tartalmazó tényezője kiemelhető az integráljel alól. Ezért elegendő megmutatni, hogy

v∇r+ F m∇v

f(r,v) = 0.

Alakítsuk át (3.1)-et az alábbi módon:

N(r) = Z

dv3f(r,v) =N e−ϕ(r)/kBT, (3.101)

amivel a keresett eloszlásfüggvény így írható:

f(r,v) =N(r) m

2πkBT 3/2

exp−m(v−v0)2/(2kBT). (3.102) A konzervatív erőtérben kapott eloszlásfüggvény túlmutat az apró változtatáson. Azt sugall-ja ugyanis, hogy az aszimptotikus eloszlás függvénye módosítható úgy, hogy az aszimptotikus eloszlásfüggvényben szereplő várható értékeket helyfüggővé tesszük, az így kapott eloszlás-függvény pedig a jelenségek jóval szélesebb körének leírására használható.

Másképpen fogalmazva, a kapott eredmény úgy általánosítható, hogy az aszimptotikus eloszlásfüggvény érvényességi köre jelentősen kiterjeszthető, amennyiben az eloszlásfüggvény-ben szereplő öt integrális mennyiséget helyfüggő mennyiségként kezeljük. Ebeloszlásfüggvény-ben az eseteloszlásfüggvény-ben felmerül a kérdés: tetszőlegesen választhatóak-e ezek az integrális mennyiségek? A kérdés vizsgálatára az ütközésekben megmaradó mennyiségek következményeinek vizsgálatánál (4.1.

fejezet) visszatérünk.

3.4.1 Példa. (Kolloid részecskék magasság szerinti eloszlása) A megfigyelések szerint egy ρ0 sűrűségű folyadékban eloszlatottρsűrűségű mikroszkopikus méretű szemcsék nem üle-pednek le, hanem a folyadékban mindenhol megtalálhatóak. A z magasságban lévő részecske potenciális energiája Ep(z) = (ρ−ρ0)vkgz, aholvk a kolloid részecske térfogata, g a nehéz-ségi gyorsulás. A részecske teljes energiája E =Ep(z) +Ek = (ρ−ρ0)vkgz+ 1/2mv2. A kolloid részecskék eloszlása Boltzmann-eloszlást követ, így a sűrűségfüggvény:

f(z,v) =cexp [−E/(2kBT)]. (3.103) Egy adottzmagasságban a lebegő részecskeszámot a sebességre vett integrálással kapjuk meg:

N(z) =N(0) exp−(ρ−ρ0)vkgz

kBT . (3.104)

A kapott eloszlást a megfigyelések igazolták. A fenti megfontolásokkal meghatározható egy bolygó légkörének sűrűségváltozása a magassággal.

3.4.1. Debye-Hückel-elmélet

A 3.3.2 részben leírt elmélet csak akkor alkalmazható, ha az S-et alkotó részek közötti kölcsönhatás leírható egy olyanU(r)potenciállal, amellyel a (3.96)-ben szereplő improprius integrál kiértékelhető. Mivel

e−U12(r)/kBT =

X

n=1

−U12(r) kBT

n 1

k! =−U12(r) kBT +1

2 U122

(kBT)2 −. . . ,

ez a feltétel csak1/r2-nél gyorsabban csökkenő potenciálra igaz. A töltött részecskék közötti potenciál 1/r-rel arányos, ezért a 3.3.2. részben leírt eljárás nem alkalmazható sem erős elektrolitokban, sem teljesen ionizált plazmában. Az alább közlendő megfontolásokat P.

Debye és E. Hückel dolgozta ki.

LegyenSionizált gáz, amelyben többféle részecske található. A részecskéket azmindex különbözteti meg, az m-ik típusú részecske töltése legyen zme, ahol e az elektron töltése, zm pedig egész szám. Legyen S egységnyi térfogatában az m-ik típusú ionok száma nm0, feltesszük, hogySminden cellája (elemi térfogata) elektromosan semleges:

X

m

zmnm0= 0. (3.105)

Tételezzük fel, hogy Sállapota közel van az ideális gázhoz. Ebben az állapotban az ionok energiája, amely arányos ze2/d-vel (v.ö. 2.2. fejezet), kicsi az átlagos kinetikus energiához (3/2kT 'kT) képest. Itt daz ionok közötti átlagos távolság, ami az n átlagos részecske-sűrűséggel a d ' n1/3 kapcsolatban áll, ld. 2.2. fejezet. Feltevésünk olyan S-re teljesül, amelyre fennáll

n <<

kBT z2e2

3

, (3.106)

ahol zaz átlagos iontöltés.

Az elektromos kölcsönhatás következtébenSrészecskéinek elhelyezkedése eltér az ideális gázétól, hiszen a részecskék helyzetei között az elektromos kölcsönhatás hosszútávú korre-lációt hoz létre. A továbbiakban az ideális gáztól való eltéréseket kívánjuk jellemezni, a korrelációs tagokat kor indexszel jelöljük. Ezek tehát elsősorban a részecskék közötti köl-csönhatás következtében megjelenő korrelációk folyományai. A kölköl-csönhatás elektrosztatikus jellegű.

Az elektrosztatikából ismert, hogy töltött részek elektrosztatikus kölcsönhatási energiája olyan összeg felével egyenlő, amelyben az egyes tagok a töltéseknek és a fennmaradó összes többi töltés által a vizsgált töltésre gyakoroltφmpotenciálnak a szorzata:

Ekor =V1 2

X

m

ezmnm0φm. (3.107)

Ittφma többi részecske által azmtípusú részecskére gyakorolt potenciál,V azStérfogata. A továbbiakbanφmmeghatározására törekszünk. Debye és Hückel az alábbi modellt dolgozták ki.

Egy ion maga körül egy átlagosan gömbszimmetrikus, inhomogén töltéseloszlású ionfel-hőt hoz létre. Legyen az m típusú ionok sűrűségeloszlása ebben az ionfelhőben nm. Ez a sűrűség csak a vizsgált töltés helyétől mért r távolság függvénye. Az m típusú ion poten-ciális energiája a vizsgált töltéseloszlás elektrosztatikus terében zmeφ, ahol φ a potenciál.

Az előző részben láttuk, hogy a Boltzmann-eloszlásban a részecske energiája szerepel az eloszlásfüggvényben, ezért az ionoknmsűrűségének eloszlása

nm=nm0ezmeφkB T . (3.108)

Nagy távolságokra φ→0, ezért az ionsűrűség átmegy az átlagos sűrűségbe. Az ionfelhőben a potenciált a megfelelő Maxwell-egyenletből lehet meghatározni. A potenciált keltő töltések sűrűségeP

mezmnm, az elektrosztatikából ismert összefüggés szerint

∆φ∼=−4πeX

m

zmnm. (3.109)

Ide behelyettesíthetjük aznmsűrűségeloszlást (3.108)-ból:

∆φ=−4πeX

m

zmnm0ezmeφkB T. (3.110) A (3.110) egyenletből meghatározható az elektrosztatikus teret leíró φ potenciál. A mo-dellben tett feltevésekkel a forrástagot leegyszerűsíthetjük, mert az elektromos kölcsönhatás kicsi a kinetikus energiához képest, ezért az exponenciális függvényt sorbafejtjük és csak az első két tagot tartjuk meg.

∆φ=−4πeX

m

nm0zm+ 4πeX

m

nm0ezm

kBT φ. (3.111)

Mivel az összes töltés nulla, a jobboldal első tagja nulla, az egyenlet így rendezhető át:

∆φ−κ2φ= 0, (3.112)

ahol

κ2=4πe2 kBT

X

m

nm0zm2. (3.113)

κ dimenziója reciprok hosszúság, az 1/κ mennyiséget Debye-Hückel-sugárnak (vagy rövi-den Debye-sugárnak) nevezik. 1/κ a sugara egy adott ion által létrehozott ionfelhőnek. A levezetésben tett közelítések mellett ez a sugár nagy d-hez (két ion átlagos távolságához) képest.

A (3.112) egyenlet megoldása egy gömbhullám:

φ(r) =conste−κr

r . (3.114)

Azr→0átmenet során ennek át kell mennie a gömb középpontjában álló töltés (legyen ez zc) elektrosztatikus potenciáljába, ezért const=ezc. A (3.108)-ben szereplő φa többi ion által a gömb középpontjában álló ionra kifejtett potenciált jelenti. Ennek meghatározásához fejtsük sorbaφ(r)-etr <<1esetén:

φ= ezc

r −ezcκ+. . . . (3.115)

Az első tag a középpontban lévő töltés tere, a második tag adja meg a felhő ionjai által a gömb középpontjában létrehozott elektromos potenciált. Ezért ha a gömb középpontjában zm töltés áll,zc=zm, és (3.108)-ben

φm=−ezmκ (3.116)

írandó. Ezzel a korrekcióhoz tartozó energiát meghatároztuk, nagysága:

Ekor =−V

2κe2X

m

nm0z2m=−V e3 r π

kBT X

m

nm0zm2

!3/2

. (3.117)

A korrekciós energia a gáz hőmérsékletének és térfogatának négyzetgyökével is fordítottan arányos, u.i. legyen

Nm=nm0V

azm ionok összes számaS-ben, ezzel

Ekor =−e3 r π

V T X

m

Nmz2m

!3/2

. (3.118)

Mivel

E

T2 =− ∂

∂T F

T, (3.119)

ahol F a szabad energia, E helyére beírva (3.118)-t, az eredményt kiintegrálva T szerint megkapjuk a szabad energiát:

F =Fid−2e3 3

r π T V

X

m

Nmz2m

!3/2

. (3.120)

Ebből pedig meghatározható a nyomás. Fid-hez az ideális gáztörvényből Pid = N T /V tartozik, a korrekcióból adódó járulékot pedig aP =−(∂F∂V)alapján kapjuk meg:

P =N T V − e3

3V3/2

T X

m

Nmzm2

!3/2

. (3.121)

Itt N = P

mNM. Ezzel a plazma korrekcióit, a szabad energiát, a nyomást meghatároz-tuk. A Debye-Hückel-közelítést gyakran alkalmazzák, mert fizikai megfontolásokon alapszik.

Hátránya, hogy magasabb közelítések megtartására nem általánosítható. Erre a célra az 6.2.

fejezetben ismertetendő Bogoljubov által javasolt korrelációs technikát lehet használni.

4. fejezet

In document Bevezetés a transzportelméletbe (Pldal 68-73)