如何用通俗的語言解釋 玻爾茲曼分布 ?

時間 2021-05-05 17:56:04

1樓:

Boltzmann分布講了乙個大實話:

乙個幾乎無相互作用體系(歷史上講,就是理想氣體),

可以處在(術語叫「分布」,注意辨析,這個東西在概率論裡叫概率密度函式,而概率論裡的分布是概率密度函式的積分)從低到高一系列不同的能級上。

體系達到熱平衡時,顯然低能級佔據的粒子多,高能級佔據粒子少。這跟財富分布也是一樣的,窮人多而富人少。已故著名科學家張首晟之子寫過乙個財富與統計物理的小文在Arxiv上,推薦閱讀。

而且,由於氣體分子太小太多,我們不能分辨乙個乙個的粒子,只能統計乙個能級或者一定能量區間 (這個區間巨集觀小微觀足夠大,就是包括了足夠多的能級)內粒子的數目有多少。

那麼到底有多少呢?是這樣:

也就是說,如果最低能級 上有 個粒子佔據,那麼根據量子力學,比這個能級高一級的能級(根據量子力學,能級不能連續變化)上就有

這樣多的粒子佔據。

(注意這裡有個常數 或者能量的函式 。前者叫簡併度,表示有多個不同的微觀態具有相同的能級;後者叫態密度,表示 能量區間內微觀狀態的數目,是簡併度在能量連續變化情況下的推廣。顯然,它倆都跟具體的體系有關。

術語叫做跟體系的能譜有關)

這麼多,其中 是總粒子數, 是歸一化係數。

但是這個比例為什麼是指數形式?最簡單的辦法是應用Boltzmann統計法來匯出。這需要如下六個假設推出,留做習題:

理想氣體

熱力學極限( )

先驗等概率假設

能夠用排列組合法計算可能的狀態

最概然分布等於所有分布之和

可使用限制性拉格朗日乘子法(因為總粒子數守恆、總能量守恆)和斯特林公式(每個能級上量子態的數目都遠遠多於粒子的數目)計算最概然分布

到這裡,是從能量的角度看問題。但是,速度也是乙個可測量,如果把上述結論變成以速度為自變數的結論呢?

想到理想氣體幾乎沒有相互作用,那麼它的能量(準確來說是哈密頓量)只有動能:

那麼上邊的指數比例不變:

自變數需要變成速度。考慮真實世界是三維的,積分元應該是:

考慮到球座標:

考慮到這個分布是球對稱的,全空間立體角積分值為 :

代入上邊那個分布:

於是就有了Boltzmann速度分布。如果要讓這個分布成為概率密度,前邊還要加乙個歸一化因子。這個因子還可以用量綱分析得到。(計算不難,留做習題哈哈哈哈哈哈哈)

較為精密的得到Boltzmann分布的辦法是用經典統計力學的系綜法做,有空再寫吧。

2樓:DYTY

對於乙個系統,我們可以用熱力學參量(溫度,體積,粒子數) 來描述. 但是從微觀角度看,系統可能有無數種可能的狀態 ,所以必然很多微觀狀態 都能使得系統具有同樣的熱力學參量 . Boltzmann分布就是說對於每一種使得系統具有熱力學參量 的微觀狀態 ,其出現的概率是 ,其中 是微觀狀態 具有的能量, , 是使得概率 歸一化的常數(依賴於體積和溫度).

3樓:法南

多圖多圖多圖多圖

就是一種粒子依靠溫度的分布律。

玻爾茲曼分布律是描述理想氣體在受保守外力作用、或保守外力場的作用不可忽略時,處於熱平衡態下的氣體分子按能量的分布規律。

熱力學裡,溫度本質就是內能對熵(量綱為1)的偏導,那麼可以把kT理解為乙個體系能量的東西。

可以看看熱力學裡面kT究竟意味著什麼?裡面John Lee的回答很好,只是要糾正比例係數k是蒲朗克引進的(1900)。

麥克斯韋-玻爾茲曼分布律的公式如下

J.C.麥克斯韋首先獲得氣體分子速度的分布規律(1859),之後L.

玻耳茲曼由碰撞理論嚴格匯出。所以這個公式有兩種看法,是按速度分布,也可以是按能量分布(單個粒子速度和能量關係也就是 )。

實質上,f(v)就是一種「密度」,要獲得分布的分數,需要積分:

這個積分從0到∞應該等於1,所以這個分布律的方程會有一大堆係數。

簡單推導

理想氣體滿足克拉伯龍方程,即理想氣體的狀態方程

其中 , 就是阿伏加德羅常數,算啦算啦我不裝逼了,請允許我直接擺出清華的《普通物理教程》第九章以上。

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