Уравнение Больцмана: кинетика газа и интеграл столкновений

Когда в газе миллиарды молекул, следить за каждой бессмысленно: уравнения Ньютона для частиц никто не решит. Кинетическая теория идёт другим путём - описывает не отдельные молекулы, а их статистику: сколько частиц в данный момент имеет данную скорость в данной точке. Эволюцию этой статистики во времени задаёт кинетическое уравнение Больцмана. Из него выводятся и распределение Максвелла, и закон роста энтропии, и коэффициенты вязкости с теплопроводностью. Ниже разберём, как устроено уравнение, что такое интеграл столкновений и зачем нужно приближение времени релаксации. А чтобы прикинуть масштабы релаксации для конкретного газа, воспользуйтесь калькулятором ниже.
Функция распределения: главный объект кинетики
Центральное понятие всей теории - одночастичная функция распределения . Это плотность частиц в шестимерном фазовом пространстве «координата плюс скорость». Произведение
даёт число молекул, которые в момент находятся в малом объёме около точки и имеют скорость в интервале около . Зная , можно посчитать любую макроскопическую величину: плотность - интегрированием по всем скоростям, среднюю скорость и температуру - взвешенными интегралами от и .
Вся макроскопическая термодинамика газа спрятана в функции . Кинетическое уравнение Больцмана - это и есть закон, по которому меняется со временем.

Структура уравнения: снос плюс столкновения
В отсутствие столкновений каждая молекула просто летит и ускоряется во внешнем поле - фазовая точка движется по траектории, а сохраняется вдоль неё (теорема Лиувилля). Это даёт левую часть уравнения - член переноса. Столкновения же перебрасывают молекулы из одной ячейки скоростей в другую - это правая часть. В итоге уравнение Больцмана записывается так:
Слева три слагаемых: явная зависимость от времени, пространственный снос со скоростью и ускорение под действием внешней силы (гравитация, электрическое поле). Справа - интеграл столкновений, источник всей нетривиальной физики. Если бы его не было, газ вёл бы себя как набор невзаимодействующих лучей и никогда не приходил к равновесию.
Левая часть - обратимая механика отдельных частиц. Необратимость (стрелу времени, рост энтропии) вносит только правая часть - интеграл столкновений.
Интеграл столкновений
Самая сложная часть - правая. При парном упругом столкновении две молекулы со скоростями и разлетаются со скоростями и . Интеграл столкновений учитывает баланс: сколько частиц со скоростью выбывает из-за столкновений и сколько в неё прибывает из других скоростей. В стандартной форме
Здесь , - распределения для скоростей после столкновения, - дифференциальное сечение рассеяния, а - относительная скорость сталкивающейся пары. Член описывает прибыль (обратные столкновения наполняют ячейку), а - убыль (прямые столкновения опустошают её).
Ключевое допущение в выводе этого интеграла - гипотеза молекулярного хаоса (Stosszahlansatz): скорости двух молекул перед столкновением статистически независимы, поэтому совместная плотность пары факторизуется в произведение . Именно это предположение и вносит необратимость: оно нарушает временную симметрию исходных уравнений механики.
H-теорема: откуда берётся энтропия
Из уравнения Больцмана следует знаменитая H-теорема. Определим величину
Больцман доказал, что при упругих столкновениях всегда: монотонно убывает и достигает минимума в равновесии. Поскольку энтропия газа , убывание означает рост энтропии - это микроскопическое обоснование второго начала термодинамики.
Равенство достигается, только когда для всех столкновений. Это условие детального равновесия выполняется ровно для распределения Максвелла - экспоненты от энергии. Так кинетическое уравнение само «выводит» распределение Максвелла-Больцмана как единственное стационарное решение, к которому газ релаксирует из любого начального состояния.

Приближение БГК: время релаксации
Точный интеграл столкновений в задачах почти неберущийся. Поэтому на практике используют приближение Бхатнагара-Гросса-Крука (БГК, 1954): сложный интеграл заменяют простой релаксацией к локальному равновесию :
Идея проста: столкновения стремятся вернуть распределение к максвелловскому , а скорость возврата задаётся единственным параметром - временем релаксации . Если систему слегка вывести из равновесия и предоставить самой себе, отклонение затухает экспоненциально:
Время релаксации связано со средней длиной свободного пробега и средней скоростью простым соотношением , а обратная величина - это частота столкновений. Для воздуха при нормальных условиях порядка секунды: газ возвращается к равновесию почти мгновенно по человеческим меркам. Именно эти масштабы и считает калькулятор выше.
БГК сохраняет правильную физику релаксации и H-теорему, но даёт число Прандтля $\mathrm{Pr}=1$ вместо реального $\approx 0{,}7$ для одноатомных газов. Для точных коэффициентов переноса нужен полный интеграл или метод Чепмена-Энскога.
Связь с уравнениями переноса
Главная практическая ценность уравнения Больцмана - из него выводятся уравнения гидродинамики. Если разложить по малому отклонению от равновесия (метод Чепмена-Энскога, малый параметр - число Кнудсена ), то в нулевом порядке получаются уравнения Эйлера для идеальной жидкости, а в первом - уравнения Навье-Стокса с конкретными выражениями для вязкости и теплопроводности:
То есть макроскопические коэффициенты переноса оказываются выражены через микроскопические параметры - длину пробега, скорость, сечение. Это и есть мост между статистикой молекул и сплошной средой, который строит кинетическая теория.
Частые ошибки
- Путают с вероятностью. Функция распределения - это плотность числа частиц в фазовом пространстве, а не безразмерная вероятность; её интеграл по всему пространству даёт полное число молекул , а не единицу.
- Считают левую часть источником необратимости. Снос и ускорение обратимы во времени. Энтропию рождает только интеграл столкновений через гипотезу молекулярного хаоса.
- Забывают про условие применимости. Уравнение Больцмана работает для разреженного газа с парными столкновениями ( не слишком мал и не слишком велик); для плотных жидкостей и сильных полей нужны другие подходы.
- Берут глобально постоянным в БГК. Равновесное - локальное: его плотность, скорость и температура подстраиваются под текущие моменты , иначе нарушаются законы сохранения.
- Смешивают и время между столкновениями. Они одного порядка, но время релаксации макроскопической величины может отличаться множителем порядка единицы в зависимости от того, какой момент релаксирует.
FAQ
Чем кинетическое уравнение Больцмана отличается от распределения Больцмана? Распределение Больцмана - это статичный результат, равновесное состояние. Кинетическое уравнение - динамический закон эволюции функции распределения во времени; распределение Больцмана является его стационарным решением, к которому система релаксирует.
Почему уравнение необратимо, если законы механики обратимы? Необратимость вносит гипотеза молекулярного хаоса: предположение о статистической независимости скоростей перед столкновением (но не после) нарушает временную симметрию. Это статистическое, а не механическое свойство - отсюда «парадокс Лошмидта», который Больцман разрешал именно вероятностной трактовкой.
Что такое приближение времени релаксации? Это модель БГК, в которой громоздкий интеграл столкновений заменяется простым членом . Она резко упрощает расчёты, сохраняя ключевую физику: экспоненциальную релаксацию к равновесию и рост энтропии, ценой потери точности в коэффициентах переноса.
Коротко
Кинетическое уравнение Больцмана описывает эволюцию функции распределения разреженного газа: левая часть - обратимый перенос частиц в фазовом пространстве, правая - интеграл столкновений, источник необратимости и роста энтропии (H-теорема). Стационарное решение - распределение Максвелла. На практике интеграл заменяют приближением БГК с временем релаксации , и из уравнения через разложение Чепмена-Энскога выводятся уравнения Навье-Стокса и коэффициенты вязкости и теплопроводности.
Читайте также

Интеграл столкновений Больцмана: структура и смысл
Интеграл столкновений Больцмана: что значит правая часть кинетического уравнения, как устроены приход и уход частиц, сечение и частота столкновений, приближение БГК, законы сохранения и H-теорема.

Распределение Максвелла-Больцмана по скоростям
Распределение Максвелла-Больцмана по скоростям молекул газа: вывод функции распределения, наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорость, график и примеры расчёта.

Статистика Ферми-Дирака: вывод, и приложения
Статистика Ферми-Дирака для фермионов: принцип Паули, функция распределения , уровень Ферми, плотность электронов в металле и полупроводнике.