Путешествие от частицы до Вселенной. Математика газовой динамики

ЗАКОН ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Газ образован электрически заряженными молекулами разнообразных форм, и именно по этой причине так сложно предсказать их поведение. К счастью, при высоких температурах и низких давлениях эти молекулы ведут себя практически как идеально круглые мячи, которые взаимодействуют только при столкновении друг с другом. Газ, образованный таким типом частиц, называется идеальным газом, и его поведение можно описать простым уравнением.

Уже в XVII веке открыли, что произведение давления на объем газа остается постоянным при постоянной температуре. Также было известно, что повышение температуры влечет за собой повышение давления при постоянном объеме или увеличение объема при постоянном давлении. Количество газа также имеет значение: чем больше молекул, тем больше давление, так как число столкновений со стенками сосуда растет.

Все эти открытия можно свести воедино в известном законе идеального газа. В формуле ниже Р обозначает давление, V — объем, Т — температуру, R — газовую постоянную, а n — это величина, связанная с числом молекул:

PV = nRT.

С помощью этого простого уравнения можно объяснить большую часть свойств газов, которые мы наблюдаем.

* * *

Объемы в фазовом пространстве

Зная объем, температуру и давление газа, мы не можем знать, в какой части фазового пространства он находится, но можем ограничить область, в которой микроскопические свойства порождают макроскопические, которые мы и наблюдаем. Для этого сначала рассмотрим две частицы, чтобы затем расширить наш метод на сколь угодно большое их число. Также ограничимся только одним измерением, то есть предположим, что частицы движутся стихийно из стороны в сторону по прямой, что позволит увидеть их положения в фазовом пространстве.

Предположим, что наши частицы ограничены областью пространства длиной в один метр, то есть представим, что газ находится в коробке объемом в один кубический метр. Вне этой области частицы находиться не могут. Если мы обозначим через q₁ положение первой частицы и через q₂ — положение второй, их общее положение в фазовом пространстве будет ограничено квадратом со стороной в метр, как показано на рисунке.

То есть ни частица 1, ни частица 2 не могут выйти за пределы области, их ограничивающей.

Поскольку мы знаем температуру и давление частиц, мы также знаем, чему равна их средняя скорость. Чтобы вычислить ее, сложим скорость обеих частиц и разделим ее на два. Выражаясь математически, если v¯ обозначает среднюю скорость, v₁ — скорость первой частицы, a v₂ — скорость второй, получается, что:

Для N частиц мы бы сложили скорости их всех и разделили на N, то есть

Мы считаем, что все скорости положительны и все частицы движутся в одном направлении. Теперь предположим, что средняя скорость обеих частиц — 2 м/с. Может быть так, что обе движутся со скоростью 2 м/с; что одна движется со скоростью 3 м/с, а другая — 1 м/с; что одна абсолютно неподвижна, а другая движется со скоростью 4 м/с. Единственный невозможный вариант — так это чтобы какая-либо из двух частиц двигалась со скоростью больше 4 м/с, поскольку тогда средняя скорость была бы больше 2.

Можно сделать вывод, что если известна средняя скорость, область в фазовом пространстве, в которой может двигаться система, снова ограничена. В этом случае скорость любой из частиц не может быть больше четырех; кроме того, скорость одной из частиц определяет скорость другой. Это можно представить следующим образом (скорость первой частицы представлена горизонтально, скорость второй — вертикально).

Как можно заметить, возможные точки ограничены прямой линией. Если мы совместим этот результат с полученным ранее, то увидим, что все возможные точки ограничены некоторой областью фазового пространства, которое в этом случае имеет четыре измерения, по два для каждой частицы.