Физическая энциклопедия - кинетика физическая

микроскопич. теория процессов в статистически неравновесных системах. Она изучает методами квант. или классич. статистической физики процессы переноса энергии, импульса и в-ва в разл. физ. системах (газах, плазме, жидкостях, тв. телах), а также влияние на эти системы внеш. полей. В отличие от термодинамики неравновесных процессов и электродинамики сплошных сред, К.

ф. исходит из представления о мол. строении рассматриваемых сред и силах вз-ствия между их ч-цами, что позволяет вычислить кинетические коэффициенты, диэлектрич. и магн. проницаемости и др. подобные хар-ки сплошных сред. К. ф. включает кинетическую теорию газов из нейтр. атомов или молекул, статистич. теорию неравновесных процессов в плазме, теорию явлений переноса в тв.

Это даёт возможность перейти от описания неравновесного состояния ф-цией распределения ч-ц по всем координатам q и импульсам р к упрощённому описанию на основе одночастичной ф-ции распределения одной ч-цы по её координатам и импульсам (в этом случае можно считать, что все ч-цы ведут себя одинаково). Осн. метод К. ф.построение и решение кинетического уравнения Больцмана для ф-ции распределения молекул f(q, p, t) в их фазовом пространстве (q, p).

сил; Stf интеграл столкновений, определяющий разность числа молекул, приходящих в элемент объёма и убывающих из него вследствие столкновений. Для газа из одноатомных молекул или более сложных молекул, но без учёта их внутр. степеней свободы Stf=?w(f'f'1-ff1)dp1dp'dp'1, где w вероятность столкновения, связанная с дифференциальным эфф. сечением ds=(w/(v-v1))dp'dp'1, p, р1импульсы молекул до столкновения, р', p'1 их импульсы после столкновения, f, f1 ф-ции распределения молекул до столкновения, f', f'1 их ф-ции распределения после столкновения.

В простейшем приближении Stf=-(f-f0)/t, где f0 равновесная ф-ция распределения, t ср. время релаксации. Для газа из сложных молекул, обладающих внутр. степенями свободы, напр. двухатомных молекул с собств. моментом вращения М, ф-ция распределения зависит также от М и нужно учесть увеличение фазового объёма молекулы, связанное с её вращением.

Если состояние газа мало отличается от равновесного, то в малых элементах объёма устанавливается локально-равновесное распределение, характеризуемое Максвелла распределением с темп-рой, плотностью и гидродинамич. скоростью, соответствующими рассматриваемому элементу объёма. В этом случае неравновесная ф-ция распределения мало отличается от локально-равновесной и решение кинетич.

grad Т (обычная теплопроводность), а в случае смеси газов выражение для Q содержит ещё член, пропорц. градиенту концентрации gradс (Дюфура эффект). Поток в-ва в смеси газов содержит член, пропорц. градиенту концентрации (обычная диффузия), и член, пропорц. градиенту темп-ры (термодиффузия). Подобные соотношения наз. линейными соотношениями между термодинамич.

силами и потоками. Для входящих в них коэфф. (напр., сдвиговой вязкости и объёмной вязкости, коэфф. теплопроводности, диффузии, термодиффузии, эффекта Дюфура) К. ф. даёт выражения через эфф. сечения столкновений, следовательно через константы межмол. вз-ствия. Кинетич. коэфф. для перекрёстных явлений, напр. для термодиффузии и для эффекта Дюфура, оказываются равными (частный случай общих соотношений взаимности Онсагера; (см.

ОНСАГЕРА ТЕОРЕМА)). Ур-ния баланса импульса, энергии, числа ч-ц определ. сорта вместе с линейными соотношениями между термодинамич. силами и потоками позволяют получить Навье Стокса уравнения, теплопроводности уравнение, ур-ние диффузии. Такой гидродинамич. подход к решению задач о переносе физ. величин справедлив, если длина свободного пробега l значительно меньше характерных размеров областей неоднородности.

К. ф. позволяет исследовать явления переноса в разреженных газах и в том случае, когда отношение длины свободного пробега l к характерным размерам L системы (т. е. число Кнудсена l/L) уже не очень мало и имеет смысл рассматривать поправки порядка l/L (слабо разреженные газы). В этом случае ур-ния К. ф. позволяют объяснить явление температурного скачка на границе потока газа и тв.

поверхности, а также скольжение потока в слое порядка l вблизи поверхности. Для сильно разреженных газов, когда l/L->1, гидродинамич. ур-ния неприменимы и необходимо решать кинетич. ур-ние с определёнными граничными условиями на поверхностях. Эти условия определяются ф-цией распределения молекул, рассеянных из-за вз-ствия со стенкой.

теплопередачи. Для описания процессов в плазме К. ф. пользуется двумя ф-циями распределения эл-нов fe и ионов fi, удовлетворяющих системе двух кинетич. ур-ний. На ч-цы плазмы действуют силы F=Ze(E+1/c(vB)), где Ze заряд ч-цы, Е напряжённость электрич. поля, Виндукция магн. поля, удовлетворяющие Максвелла уравнениям. В ур-ния Максвелла входят ср.

значения плотностей токов и зарядов. Их определяют при помощи ф-ций распределения fe и fi. Т. о., кинетич. ур-ния и ур-ния Максвелла представляют собой связанные системы ур-ний, описывающие все явления в плазме. К. ф. неравновесных процессов в диэлектриках основана на решении кинетич. ур-ния Больцмана для фононов крист. решётки (ур-ние Пайерлса).

К. ф. магнитных явлений основана на решении кинетич. ур-ния для магнонов, что позволяет вычислить магн. восприимчивость систем в перем. полях, изучить кинетику процессов намагничивания. К. ф. неравновесных процессов в жидкостях требует более общего подхода, т. к. в этом случае одно-частичная ф-ция распределения не раскрывает специфики явлений и необходимо рассматривать двухчастичную ф-цию распределения.

Однако для жидкости возможен гидродинамич. подход, т. к. для неё существуют медленно меняющиеся гидродинамич. переменные плотность числа ч-ц, плотность энергии, плотность импульса. В течение малого времени релаксации в макроскопически малых объёмах жидкости устанавливается локально-равновесное распределение, подобное равновесному распределению Гиббса, но с темп-рой, хим.

потенциалом и гидродинамич. скоростью, к-рые соответствуют рассматриваемому малому объёму жидкости. Для достаточно медленных процессов и когда масштабы пространств. неоднородности значительно меньше масштаба корреляции между ч-цами жидкости, неравновесная ф-ция распределения близка к локально-равновесной и можно найти к ней поправку, пропорц.

градиентам темп-ры, гидродинамич. скорости и хим. потенциалам компонентов. Полученная равновесная ф-ция распределения позволяет вычислить потоки импульса, энергии и в-ва и вывести ур-ния Навье Стокса, теплопроводности и диффузии. Кинетич. коэфф. оказываются в этом случае пропорц. пространственно-временным корреляц. ф-циям потоков энергии, импульса и в-ва данного сорта (ф-лы ГринаКубо).