5
KINETISK TEORI och Boltzmannekvationen En gas består av myriader av molekyler ... En gas består av molekyler, och det som skiljer en gas från en vätska eller från en fast kropp, är att mo- lekylerna för det mesta rör sig oberoende av varand- ra. Ute i rymden, där det är nästan vakuum, kol- liderar molekylerna mycket sällan, men i en tätare gas händer det ganska ofta. Hur gasen beter sig be- ror förstås på hur ofta molekylerna kolliderar. Gas- kinetik handlar mycket om just detta. Om vi vill beskriva en gas fullständigt måste vi ve- ta både hastighet och position hos varje partikel. Ja, egentligen räcker inte ens det, för riktiga moleky- ler kan rotera och vibrera också, men här tänker vi oss att molekylerna är klotformade och då spelar rotation och liknande ingen roll (det är ingen då- lig approximation för en ädelgas). Om en behålla- re innehåller st molekyler så behövs alltså variabler för att beskriva systemet: , och , där . Om allt detta vore känt skulle man i princip kunna räkna ut precis hur gasen utvecklas i tiden, och hur den påverkar behållarens väggar och liknande. Problemet är bara att är alldeles för stort för att detta skall vara möjligt. ... men det märker man inte alltid. Och dessutom är det inte nödvändigt. I den vanliga luften känner man aldrig av enskilda molekyler, ut- an man känner ett medelvärde av alla molekyler som kolliderar med huden. Och dessutom kolliderar mo- lekylerna med varandra mycket ofta, och vilket i sin tur gör att det bara är egentligen tre olika storheter vi märker: Summorna betyder att man bildar medelvärde över alla molekyler som finns i ett litet klot som har som har sitt centrum i 1 . Den första summan, ger ”antal partiklar per volymsenhet mas- san per partikel”, d.v.s gasens densitet. De båda and- ra summorna ger på samma sätt gasens medelhastig- het och temperatur. 1 Med menas antal partiklar i klotet ; är Boltzmanns konstant

KINETISK TEORI - Chalmerswennberg/vad_ar_gaskinetik_g.pdf · 2011-09-27 · gas händer det ganska ofta. Hur gasen beter sig be-ror förstås på hur ofta molekylerna kolliderar

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

KINETISK TEORIoch

Boltzmannekvationen

En gasbestårav myriader avmolekyler ...

En gasbestårav molekyler, och det somskiljer engasfrånenvätskaeller frånenfastkropp,ärattmo-lekylernaför detmestarör sigoberoendeav varand-ra. Ute i rymden,där det är nästanvakuum,kol-liderar molekylernamycket sällan,men i en tätaregashänderdetganskaofta. Hur gasenbetersig be-ror förståspå hur ofta molekylernakolliderar. Gas-kinetik handlarmycketom just detta.Om vi vill beskriva engasfullständigtmåstevi ve-ta bådehastighetochpositionhosvarjepartikel. Ja,egentligenräcker inte ensdet, för riktiga moleky-ler kan roteraoch vibreraockså,menhär tänker vioss att molekylerna är klotformadeoch då spelarrotation och liknande ingen roll (det är ingen då-lig approximationför en ädelgas).Om en behålla-re innehåller

�st molekyler så behövsalltså � �

variablerför att beskriva systemet:��� , och ��� , där����� �. Om allt dettavore känt skulle mani

princip kunnaräknaut precishur gasenutvecklasitiden,ochhur denpåverkarbehållarensväggarochliknande.Problemetärbaraatt

�äralldelesför stort

för attdettaskall varamöjligt.

... mendet märker man inte alltid.

Ochdessutomär det inte nödvändigt.I denvanligaluften kännermanaldrig av enskildamolekyler, ut-anmankännerettmedelvärdeav allamolekylersomkolliderarmedhuden.Ochdessutomkolliderarmo-lekylernamedvarandramycketofta,ochvilket i sintur gör att det baraär egentligentre olika storhetervi märker:

�� ��������� ����������� � �!�#"$% ��������� ����&���'� � �!�(" )*,+.-0/213*54 � �6 �������7� �8:9 ���������;� �!�#" )*,+#-0/<13*54>= � �@? $ = ASummornabetyderatt manbildar medelvärdeöveralla molekyler som finns i ett litet klot � �!� somhar somhar sitt centrumi � 1. Den förstasumman,�� ������� ger”antal partiklarpervolymsenhetB mas-sanperpartikel”, d.v.sgasensdensitet.Debådaand-rasummornagerpåsammasättgasensmedelhastig-hetochtemperatur.

1Med CED�F,GEH�I%JKF>LNM menasantalpartiklari klotet IEJKF>L ; O ärBoltzmannskonstant

Vilka medelvärdenär viktiga ...

Förattdettaskall varameningsfulltatt bildamedel-värdenpå dettasättmåsteklotet varalitet i förhål-landetill det föremål som påverkasav gasen(enshand,entermometer, eller till exempelett flygplan,beroendepåvilkensituationmanär intresseradav),mendetmåstevarasåstortatt manharmångapar-tiklar attbildamedelvärdenav, ochsåstortattdessatroligenhinnerkolliderainnandelämnarklotet.

Men om föremåletär litet (till exempelett pollen-korn, eller en av dessamikromotorermanförsökeratt konstrueranu), eller om gasenär mycket tunn,går inte dessavillk or att kombinerariktigt, och dåbeskrivs inte heller gasenväl av sin densitet,tem-peraturoch hastighet.Men under vissa förhållan-denkanmanfå engodbeskrivningmedenfunktionP �����2����� , en“täthetsfunktion”sominte barahållerredapåhur mångapartiklarsomfinnsi ett litet klot(som �� ������� ) , utanocksåpå hur dessapartiklar ärfördeladepåolika hastighetsintervall.

... ochhur räknar man ut dem?

EnekvationsombeskriverhurP �����2����� förändrasi

tidenärdensåkalladeBoltzmannekvationen:

QQ � P �����2�����!RS� T&U * P �����2�����V�XW P � P � �����<�����Till vänsterom likhetstecknetfinns de termersombehövsför att beskriva vad som skulle händaommolekylernaaldrig kolliderade,och termentill hö-ger är den så kalladekollisionsoperatorn,som be-skriveralla möjligakollisioner.

För att beskriva vadsomhändermåstemanförståsocksåangerandvillkor (d.v.s vad som händernärmolekyler kolliderarmedväggarna),ochbegynnel-sevillk or (hur fördelningenär vid tiden �2�ZY ).Närmanväl harräknatut vad

P �����2����� ärgårdetattberäknadensitet,tryck ochhastighetsomintegraler:

10-7

m

Mikromotor

0 m.ö.h.

Fri medelväglängd

Rymdfärja

100 km.ö.h.

Fri medelväglängd

10 m-1

10 m

Fri medelväglängd = sträckan en molekyl flyttar sig innan den kolliderar

10 m-4

�� �������[� \>]2^ P �����2������_0�$% �������[� ��� ������� \ ] ^ P �����2�����`�!_a�6 ��������� �8:9 �� ������� \ ] ^ P �����2����� = � ? $% ������� = A _a�

Kollisionerna i engaskan beräknas...

Vadär då W ? Jo, funktionenP �����2����� beskriver ju

sannolikhetenatt det finns en partikel i punkten �och medhastigheten� . Om två partiklar skall kol-lideramåstedetfinnastvå partiklar påsammastäl-le. NärmanhärlederBoltzmannekvationengörmanett kontroversielltantagande,nämligenattpartiklar-na är oberoendeav varandra.Dettaantagandekal-lasiblandför molekylärt kaos, ochledertill att san-nolikhetenatt det finnsenpartikel medhastighet�ochenannanmedhastigheten�cb i punkten� gesavP �����2����� P ����� b ����� . Då måstekollisionsoperatornW varaettmedelvärdeav

P �����2����� P ����� b ����� , d.v.s.en integral över alla hastigheter� b . Men det räckerinte: om molekylernaträffar varandrai en frontal-kollision studsardebaratillbaka,ochom deknapptsnuddarvarandragör kollisionenknapptnågonin-verkanpåresultatet.Ochsåfinnsalla varianterdär-emellan.

... somett medelvärde

Kollisionsoperatornmåstebildaettmedelvärdeöveralla dessamöjligheterockså.Till slut kommermanfram till att kollisionsoperatornharföljandeutseen-de(fastdåharmanegentligenfuskatlite, genomattantaattdetaldrig,ellernästanaldrigförekommeratttreeller flerapartiklarkolliderarsamtidigt):

W P � P � �����2�����[� \ ] ^!\>d:e@f P �����!gh����� P �����!gb ����� ? P �����2����� P ����� b ������i = � ? � b =�j.k:l nm �o_0p<_0� b

Än vet vi inte allt vi vill veta,(omnågontroddedet)

Det finns en rad frågor en matematiker skulle vil-ja kunna svara på i sambandmed Boltzmann-ekvationen.En del av dessafrågor vet vi mer ellermindreredansvaretpå, medanandraskulle bringaevig äraoch berömmelseåt densomlyckadeshit-tasvaret(åtminstonestorberömmelseblandallaosssompysslarmedBoltzmannekvationenoch liknan-de).

det finns rent matematiskafrågor,q Kan man lösa ekvationenför alla realistiskabegynnelsedataoch randvärden?Med realis-tiska begynnelsedatamenarmanen funktionP5r �����c� somär ickenegativ (denskall ju be-skrivaensannolikhet),ochsådanatt

\tsvu ] ^ P5r �����c� � R = � = A �>_a��_0� w xzyDen fysikaliska innebördenav detta är attmassanoch energin är begränsad.Lösning-en skall uppfylla sammavillk or för alla ti-der � , och därför vill manhelst räknai klas-sen { b , d.v.s. klassenav funktioner vars in-tegral är ändlig. Men det visar sig att det ärmycket svårt,eftersomhögerledeti ekvatio-nen är kvadratiskt,och det går inte så braattmultiplicera { b -funktioner. Detdröjdemerän 100 år innan man fann en tillfredställan-de lösningtill ekvationen,mendå visadedet

sig att enförvånandeenkel medelvärdesegen-skaphoslösningartill transportekvationervarnyckelntill problemet.Transportekvationerärekvationersomhar sammatyp av vänsterledsomBoltzmannekvationen.Beroendepå hurlösningarnakonstruerasbrukarde ofta kallasför renormaliseradelösningar, mendetfinnsfleraekvivalentaformer.q Kan detfinnasflera lösningar?Dettaär enavdet storaobesvaradefrågorna,och ingenharnågotsvar, utomi vissaspecialfall, dådetgåratt visa att det barafinns en lösningsombe-vararenergin,mendetfinnsandradärenerginväxer i tiden.

... och fysikaliska ...q Bevarasenergin och massanhos lösningar-na?Detta är det fysikaliskt rimliga antagan-det, men för de så kallade renormaliseradelösningarnaär detintekänt.q En riktig gasnärmarsig ett jämviktstillståndom den lämnasi fred. Uttryckt i våramate-matiskatermerblir det

P �����2�����[| � N}5~ 6 �o�(� A��a�v� �������e � A��

då tiden ökar. Detta kan man faktiskt visa!Att gasennärmarsig jämvikt harattgöramedattentropinminskar(jo, faktiskt,vi brukarhamotsatttecken på entropin jämfört med vadsomärvanligt inom fysiken),d.v.satt

\ svu ]2^ P �����2�����t��� P �����2�������>_a�avtar. Men vi vet inte hur fort dettagår, ochdet finns mycket annatocksåatt funderapåkring entropin.

q Omgasenblir tätarebordedenförstabeskriv-ningenstämmaallt bättre,d.v.s.detbordetillslut räckaatt användadensitet,medelhastig-hetochtryck (temperatur)för att beskrivaga-sen.Dessastorheterkanmanräknaut genomatt lösaantingenNavier Stokesekvationerel-ler Eulersekvationer, beroendepå om gasenmåstebetraktassomvisköseller inte.Dåupp-stårfrågan:kanmanvisaattdetfinnsettsläkt-skapmellanBoltzmannekvationenoch Navi-erStokesekvation?Jodå,åtminstonekanmangöradet underförutsättningatt det finns lös-ningarsomär tillräckligt ”snälla”, menåand-rasidanharingenlyckatsvisaattdeti allmän-hetfinnssåsnällalösningar. Dettaärocksåettstortochsvårtproblematt gesig i kastmed.

och nästanfilosofiskaproblem,

q Detta att entropinminskarvar en av Boltz-mannsstoraupptäckter, mendet är ocksåensaksom har satt myror i huvudetpå fysikerochmatematikerändasedandess(1872).Pro-blemetär att sålängemanharändligtmångapartiklar(precissomi beskrivningeni början)är hela dynamiken reversibel,d.v.s. egentli-genkanmanlika gärnastuderahurpartiklarnarör sig bakåti tiden somframåti tiden.Menför Boltzmannekvationenenslösningarmins-karju entropin,ochlösningarnagåremotjäm-vikt dåtidenökar, såhärverkardetfinnasenmotsägelse.I börjanhävdademångatill ochmedatt dettavar ett bevis för att Boltzman-nekvationenvarfel. Detfinnsolikasättattför-klara dettapå, men inget som alla är riktigtöverensom. Ur matematisksynvinkel liggerproblemetdelvis i att mani härledningenavBoltzmannekvationenbörjar med ett systemav ändligtmångapartiklar, ochsedanlåteran-talet partiklar gå mot oändligheten.Man fårenföljd av lösningarochdetgälleratt visaattdennaföljd konvergerar, och att gränsvärdetuppfyllerettantalvillk or.

ochsåpraktiska problemockså.q För att kunnaanvändaBoltzmannekvationenpraktisktmåstedenlösasnumerisktmedhjälpav datorer, och även dettaär besvärligt.Demetoder som oftast används är så kalladeMonteCarlo-metoder, somgårut påatt manlåter ett relativt litet antalpartiklar represen-teragasen.Men för att dettaskall ge en braapproximationtill denriktiga lösningenmås-te dettaantaländåvaraganskastort,och detmedföratt beräkningarnablir mycket tidskrä-vande.Såmycket forskningär ämnadatt gemer effektiva metoder, och även till verifieraattdenuvarandemetodernaverkligenapprox-imerarBoltzmannekvationen.

Uppräkningenskullekunnafortsättaslänge:randvärdesproblem,inverkanav fält påladdadepartiklar, mo-delleringav gasermedinre frihetsgraderochmycketannatskaparmatematiskaproblemsomännuinteharlösts.Egentligenärdetinte rätt attdelain problemeni kategoriersomhärovan:detfinnsmycketmatema-tik i allihop. Vissaav problemenär säkert oerhörtsvåraatt lösa,medandet i andrafall kanske ligger ettganskaenkelt resultatbaraochväntarpåatt bli framskrapad,somvar fallet medmedelvärdesegenskapenför transportekvationer, sombehövdesför att visaatt detfinnslösningar.

Det här gör vi i Göteborg

Vi är ett tiotal personervid matematiskainstitutioneni Göteborg sompå ett eller annatsättägnarossåtkinetisk teori. Vi är ganskateoretisktinriktade,ochharhuvudsakligenstuderatproblemsomharatt göramedexistensoch entydighetav lösningartill olika kinetiskaekvationer. Men på senaretid har vi ocksåbörjatintresseraossför deolikanumeriskametodersomfinns.Vi deltarocksåi ettstorteuropeiskt,såkallatTMR-nätverk,somägnarsig åtkinetiskteori tillämpadpåtill exempelhalvledareochrymdtillämpningar.

BerntWennberg

Titta gärnaocksåpåvårhemsida:http://www.md.chalmers.se/Math/Research/Kinetics/

eller kontaktaProfessorLeif Arkerydtel: 031-7723541

[email protected]