EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Уравнение Больцмана: кинетика газа и интеграл столкновений

19 июня 2026Время чтения: 7 минут
#уравнение Больцмана#кинетическая теория#функция распределения#интеграл столкновений#приближение БГК
Уравнение Больцмана: кинетика газа и интеграл столкновений

Когда в газе миллиарды молекул, следить за каждой бессмысленно: уравнения Ньютона для 102310^{23} 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 f(r,v,t)f(\vec r, \vec v, t). Это плотность частиц в шестимерном фазовом пространстве «координата плюс скорость». Произведение

dN=f(r,v,t)d3rd3vdN = f(\vec r, \vec v, t)\, d^3r\, d^3v

даёт число молекул, которые в момент tt находятся в малом объёме d3rd^3r около точки r\vec r и имеют скорость в интервале d3vd^3v около v\vec v. Зная ff, можно посчитать любую макроскопическую величину: плотность - интегрированием по всем скоростям, среднюю скорость и температуру - взвешенными интегралами от v\vec v и v2v^2.

Вся макроскопическая термодинамика газа спрятана в функции ff. Кинетическое уравнение Больцмана - это и есть закон, по которому ff меняется со временем.

Функция распределения f как заполнение фазового пространства координата-скорость с подписями плотность и средняя скорость
Функция распределения f как заполнение фазового пространства координата-скорость с подписями плотность и средняя скорость

Структура уравнения: снос плюс столкновения

В отсутствие столкновений каждая молекула просто летит и ускоряется во внешнем поле - фазовая точка движется по траектории, а ff 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:

ft+vrf+Fmvf=(ft)ст\frac{\partial f}{\partial t} + \vec v \cdot \nabla_r f + \frac{\vec F}{m}\cdot \nabla_v f = \left(\frac{\partial f}{\partial t}\right)_{\text{ст}}

Слева три слагаемых: явная зависимость от времени, пространственный снос со скоростью v\vec v и ускорение под действием внешней силы F\vec F (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 v\vec v и v1\vec v_1 разлетаются со скоростями v\vec v' и v1\vec v_1'. Интеграл столкновений учитывает баланс: сколько частиц со скоростью v\vec v выбывает из-за столкновений и сколько в неё прибывает из других скоростей. В стандартной форме

(ft)ст=(ff1ff1)vv1σdΩd3v1\left(\frac{\partial f}{\partial t}\right)_{\text{ст}} = \int (f' f_1' - f f_1)\, |\vec v - \vec v_1|\, \sigma\, d\Omega\, d^3 v_1

Здесь f=f(v)f' = f(\vec v'), f1=f(v1)f_1' = f(\vec v_1') - распределения для скоростей после столкновения, σ\sigma - дифференциальное сечение рассеяния, а vv1|\vec v - \vec v_1| - относительная скорость сталкивающейся пары. Член ff1f' f_1' описывает прибыль (обратные столкновения наполняют ячейку), а ff1f f_1 - 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 ff1f f_1. 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

H(t)=flnfd3vH(t) = \int f \ln f\, d^3 v

Больцман доказал, что при упругих столкновениях dH/dt0dH/dt \le 0 всегда: HH монотонно убывает и достигает минимума в равновесии. Поскольку энтропия газа S=kBH+constS = -k_B H + \text{const}, убывание HH означает рост энтропии - это микроскопическое обоснование второго начала термодинамики.

Равенство dH/dt=0dH/dt = 0 достигается, только когда ff1=ff1f' f_1' = f f_1 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.

График убывания H-функции во времени к равновесному минимуму с подписью рост энтропии
График убывания H-функции во времени к равновесному минимуму с подписью рост энтропии

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 f0f_0:

(ft)стff0τ\left(\frac{\partial f}{\partial t}\right)_{\text{ст}} \approx -\frac{f - f_0}{\tau}

Идея проста: столкновения стремятся вернуть распределение к максвелловскому f0f_0, а скорость возврата задаётся единственным параметром - временем релаксации τ\tau. Если систему слегка вывести из равновесия и предоставить самой себе, отклонение δf=ff0\delta f = f - f_0 затухает экспоненциально:

δf(t)=δf(0)et/τ\delta f(t) = \delta f(0)\, e^{-t/\tau}

Время релаксации связано со средней длиной свободного пробега λ\lambda и средней скоростью vˉ\bar v простым соотношением τλ/vˉ\tau \approx \lambda / \bar v, а обратная величина ν=1/τ\nu = 1/\tau - это частота столкновений. Для воздуха при нормальных условиях τ\tau порядка 101010^{-10} 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 ff по малому отклонению от равновесия (метод Чепмена-Энскога, малый параметр - число Кнудсена Kn=λ/L\mathrm{Kn} = \lambda / L), то в нулевом порядке получаются уравнения Эйлера для идеальной жидкости, а в первом - уравнения Навье-Стокса с конкретными выражениями для вязкости и теплопроводности:

η13nmvˉλ,κ13ncvvˉλ\eta \sim \frac{1}{3}\, n m\, \bar v\, \lambda, \qquad \kappa \sim \frac{1}{3}\, n c_v\, \bar v\, \lambda

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 ff с вероятностью. Функция распределения - это плотность числа частиц в фазовом пространстве, а не безразмерная вероятность; её интеграл по всему пространству даёт полное число молекул NN, 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 (Kn\mathrm{Kn} не слишком мал и не слишком велик); для плотных жидкостей и сильных полей нужны другие подходы.
  • Берут f0f_0 глобально постоянным в БГК. Равновесное f0f_0 - локальное: его плотность, скорость и температура подстраиваются под текущие моменты ff, иначе нарушаются законы сохранения.
  • Смешивают τ\tau 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 eE/kBT\sim e^{-E/k_BT} - 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 (ff0)/τ-(f - f_0)/\tau. 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 f(r,v,t)f(\vec r, \vec v, t) 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 τ\tau, и из уравнения через разложение Чепмена-Энскога выводятся уравнения Навье-Стокса и коэффициенты вязкости и теплопроводности.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также