кинетика что это физика

КИНЕТИКА

Смотреть что такое «КИНЕТИКА» в других словарях:

КИНЕТИКА — (греч., от kinesis движение). Наука, изучающая зависимость между движением материи и причинами, обусловливающими эти движения. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. КИНЕТИКА греч., от kinesis, движение.… … Словарь иностранных слов русского языка

КИНЕТИКА — (от греч. kinetikos приводящий в движение) раздел механики, объединяющий статику и динамику … Большой Энциклопедический словарь

КИНЕТИКА — КИНЕТИКА, в физике один из разделов ДИНАМИКИ. В химии раздел физической химии, рассматривающий скорость химических реакций. Изучая скорость при разных температурах и давлении, химики могут определить, как происходила реакция … Научно-технический энциклопедический словарь

КИНЕТИКА — КИНЕТИКА, кинетики, мн. нет, жен. (от греч. kinetikos двигательный) (мех.). Отдел механики, обнимающий динамику и статику. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

КИНЕТИКА — [нэ ], и, жен. Раздел механики, объединяющий в себе статику и динамику. | прил. кинетический, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

кинетика — сущ., кол во синонимов: 2 • макрокинетика (1) • психокинетика (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

кинетика — кинетика. Произносится [кинэтика] … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке

кинетика — Учение о механизме и скоростях физич. и химич. процессов. Физич. к. — теория неравновесных макроскопич. процессов в системах, вывед. из состояния теплового (термодинамич.) равновесия. К физич. к. относят термодинамику неравновесных… … Справочник технического переводчика

КИНЕТИКА — (1) физическая раз дел теоретической физики, изучающий законы протекания процессов, возникающих в системе (газах, плазме, жидкостях, твёрдых телах) при её отклонении от состоянии термодинамического равновесия (напр. диффузия, теплопроводность,… … Большая политехническая энциклопедия

Кинетика — [kinetics] учение о механизме и скоростях физических и химических процессов. Физическая кинетика теория неравновесных макро скопических процессов в системах, выведенных из состояния теплового (термодинамического) равновесия. К физической кинетике … Энциклопедический словарь по металлургии

Источник

Физическая кинетика

Вы будете перенаправлены на Автор24

Что такое физическая кинетика

Физическая кинетика использует методы квантовой или классической статистической физики, рассматривая процессы переноса энергии, импульса, заряда и вещества в газе, жидкостях, плазме и твердых телах, а также влияние на разные состояния вещества со стороны полей. Физическая кинетика включает:

Основной метод физической кинетики: решение кинетического уравнения Больцмана.

Остановимся на кинетической теории газов. Основное уравнение кинетической теории газов:

Уравнение (1) можно записать в другом виде:

Прежде чем перейти непосредственно к явлению переноса, остановимся на ряде необходимых определений.

Эффективное поперечное сечение зависит от энергии соударяющихся частиц и характера процесса, происходящего при соударении.

\[dw\left(x\right)=e^<-n_0 \sigma x>n_0 \sigma dx\ \left(4\right).\]

Средняя длина свободного пробега может быть найдена по формуле:

С учетом распределения соударяющихся молекул по относительным скоростям

\[\left\langle \lambda \right\rangle =\frac<1><\sqrt<2>n_0 \sigma>\ \left(6\right),\]

Для двух состояний газа при постоянной температуре выполняется равенство:

\[p_1\left\langle <\lambda >_1\right\rangle =p_2\left\langle <\lambda >_2\right\rangle \left(7\right).\]

Явления переноса

\[I_G=I^+_G+I^-_G=-\frac<1><3>n_0\left\langle v\right\rangle \left\langle \lambda \right\rangle \frac<\partial G><\partial x>\left(8\right).\]

Уравнение (8) является основным уравнением процессов переноса количества G. Применение уравнения (8) рассмотрим в следующих главах, посвященных конкретным явлениям переноса.

Задание: При атмосферном давлении и температуре 273 К длина свободного пробега молекулы водорода равна 0,1 мк м. Оцените диаметр этой молекулы.

За основу возьмем формулу для средней длины свободного пробега молекулы:

\[\left\langle \lambda \right\rangle =\frac<1><\sqrt<2>n_0 \sigma>=\frac<1><\sqrt<2>n_0\pi d^2>\left(1.1\right).\]

Выразим диаметр из (1.1) и подставим вместо n (1.2), получим:

Готовые работы на аналогичную тему

Задание: Плотность газа увеличивают в 3 раза, а температуру уменьшают в 4 раза. Как изменилось число столкновений молекул в единицу времени?

Число столкновений определим как:

\[\left\langle \lambda \right\rangle =\frac<1><\sqrt<2>n_0 \pi d^2>\left(2.2\right).\]

\[\left\langle v\right\rangle =\sqrt<\frac<8\pi RT><\mu >>\left(2.3\right).\] \[z_1=\sqrt<2>n_0\pi d^2\left\langle v_1\right\rangle t.\]

Подставим данные, получим:

Ответ: Число столкновений увеличится в 1,5 раза.

Получи деньги за свои студенческие работы

Курсовые, рефераты или другие работы

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 17 12 2021

Источник

Кинетика

Кинетика это р аздел механики, изучающий движение материальных тел в пространстве и времени без рассмотрения вызывающих это движение взаимодействий.

Механическим движением тела называется изменение с течением времени его положения по отношению к другим телам.

Что такое механика движение тела

Кинетика это наука о движении материи и о её причине, в механике изучение механического состояния тела и т.д. Что характерно для всех наук есть соответствующее название (биологическая кинетика, химическая кинетика, физическая и т.д.).

В природе вообще нет ничего, что можно было бы считать совершенно неподвижным. Только условно некоторые тела в определенных случаях можно считать неподвижными.

Например, при изучении движения различных тел во многих случаях в качестве неподвижных принимают Землю и все тела, неизменно с ней связанные (здания, деревья и т. п.).

Любое движущееся тело обладает определенными размерами — протяженностью в пространстве. Его движение происходит также в какой-то части пространства, размер которой называют масштабом движения.

Если размеры тела ничтожно малы по сравнению с масштабом движения, то это тело можно называть материальной точкой, считая, что в этой точке сосредоточена вся масса этого тела.

Например, при рассмотрении годичного движения Земли вокруг Солнца Землю можно считать материальной точкой, так как масштаб движения достаточно велик по сравнению с размером планеты.

Материальная точка

Материальная точка — это идеализированное понятие. Вводя это понятие, мы отвлекаемся от всех несущественных для данного движения свойств тела, например, его размеров, формы, строения и т. д.

Каждая материальная точка, перемещаясь в пространстве, описывает воображаемую линию, называемую траекторией, форма которой может быть самой разнообразной.

Если траекторией движения точки является прямая линия, то движение называется прямолинейным, а если кривая линия — криволинейным.

Как определить материальную току

Положение какого-либо тела или материальной точки определяют лишь по отношению к другому материальному телу, условно считаемому неподвижным и называемому телом отсчета.

Связанная с этим телом отсчета произвольная система координат называется системой отсчета положений материальной точки. Без выбора системы отсчета описать движение невозможно.

Например, при прямолинейном движении можно пользоваться системой координат, состоящей из одной прямой линии OS,вдоль которой происходит движение, с началом отсчета в точке О.

В более сложных случаях применяется декартова прямоугольная система координат со взаимно перпендикулярными осями Ох и Оу, пересекающимися точке О, которая является началом отсчета.

Длина части траектории, пройденная точкой с момента начала отсчета времени, называется длиной пути (путем). Путь — скалярная величина, характеризующаяся только численным значением s.

Если начальное положение точки соединить прямой с конечным положением, то получим перемещение ∆r точки за какое-то время t.

Перемещение точки является вектором, то есть величиной, характеризующейся численным значением и направлением. При прямолинейном движении абсолютная величина вектора перемещения |∆r| равна пути s.

По траектории различают два основных простейших вида движения твердого тела: поступательное и вращательное.

Движение тела, при котором прямая, соединяющая две любые точки тела, перемещается параллельно самой себе в процессе движения тела, называется поступательным.

Вращательное движение

Что такое вращательное движение это движение тела, при котором все его точки движутся по окружностям, центры которых расположены на одной прямой (оси вращения).

По характеру зависимости пути от времени движения делятся на равномерные и неравномерные.

Равномерное прямолинейное движение

Равномерным прямолинейным движением называют такое движение, при котором материальная точка, двигаясь по прямой, за произвольные равные промежутки времени проходит пути равной длины.

Примером равномерного прямолинейного движения может служить движение ленты заводского сборочного конвейера, поезда на прямолинейном участке пути при постоянной силе тяги и др.

Однако следует иметь в виду, что абсолютно равномерных движений в природе не существует, но если отклонения от равномерности незначительны, то ими можно пренебречь.

Физическая величина

Для характеристики движения тела вводят векторную физическую величину — скорость. Пусть положение прямолинейно движущегося тела в некоторый момент времени t₀ определяется путем s₀, а в момент времени t — путем s. Тогда за время t— t₀ тело проходит путь s — s₀.

Математическое выражение для скорости υ можно записать в виде

В частном случае, когда t₀ = 0 и s₀ = О,

Здесь s представляет собой путь, пройденный телом за время t.

Что такое физическая величина это численно равная пути, пройденному телом в единицу времени, называется скоростью υ.

Скорость равномерного движения — величина постоянная. При прямолинейном движении вектор скорости направлен вдоль траектории.

Единицы измерения

В СИ за единицу измерения скорости принимается скорость такого равномерно движущегося тела, которое за каждую секунду проходит путь, равный одному метру,

В системе СГС единица измерения скорости 1(cм:c) Из формулы (1) следует, что

Если t₀ = 0 и s₀ = 0, то формула (3) примет вид

где s — путь, пройденный телом за время t.

Из формулы (4) видно, что при равномерном движении тела его путь есть линейная функция от времени, так как υ — постоянная величина.

Графики скорости пути равномерного движения

Формула s = υ t дает полное описание равномерного движения. Связь между s и t для отдельных моментов времени можно задавать в виде таблицы, содержащей соответственные значения промежутка времени, и пройденного пути.

Например скорость некоторого равномерного движения равна 0,5 —. Формула (4) в этом случае имеет вид s = 0,5 • t. Таблица пути и времени такого движения выглядит следующим образом:

Зависимость пути от времени удобнее изображать графиками. Они нагляднее показывают картину изменения пути от времени.

Пример расчета по графику движения

Отложим на оси абсцисс значения времени t (рис. 1), а по оси ординат значения пути s. Тогда зависимость пути s от времени t выразится прямой OA.

По графику пути равномерного движения можно определить скорость, с которой совершалось движение.

Тангенс угла а наклона графика пути к оси времени численно равен отношению ординаты произвольно точки графика к ее абсциссе,.то есть равен отношению s : t, это и есть скорость равномерного движения.

Таким об разом, υ — tg α. Чем больше скорость, тем больший угол составляет график с осью времени.

Рис. 1 — 2 Графики скорости пути равномерного движения

На рис. 2 изображен график скорости равномерного движения, который получен следующим образом: на оси абсцисс отложены значения времени а на оси ординат — значение скорости, которая не меняется с течением времени ( υ = 3 (м:с) = const).

Здесь график скорости равномерного движения представляет собой прямую АВ, параллельную оси времени. Пользуясь графиком скорости, можем определить путь, проходимый телом за определенный промежуток времени.

При равномерном прямолинейном движении пройденный телом путь s численно равен площади прямоугольника, ограниченного осью времени, графиком скорости и двумя вертикальными отрезками, проведенными из точек, соответствующих началу и концу рассматриваемого промежутка времени.

Переменное движение. Средняя и мгновенная скорости

Неравномерным, или переменным, движением называется такое движение тела, при котором оно за равные промежутки времени проходит неодинаковые отрезки пути.

Скорость при таком движении не остается постоянной на протя жении всего рассматриваемого пути. Такое движение встречается очень часто.

Характеристиками неравномерного движения являются средняя и мгновенная скорости. Понятие о средней скорости основано на мысленной замене неравномерного движения равномерным.

Средняя скорость неравномерного движения

Средняя скорость неравномерного движения за данный промежу ток времени t — t₀ равна скорости такого равномерного движения, при которой тело проходит тот же путь s — s₀u3a тот же промежуток времени t — t₀, что и при данном неравномерном движении

Средняя скорость не дает представления о характере движения.

Так, при полете самолета между двумя городами нас может интересовать не только его средняя скорость на всем пути, но скорости, ко торые самолет развивал на отдельных участках.

Этот промежуток времени можно выбрать настолько малым, что скорость за это время не будет заметно изменяться, и тогда на этом малом участке пути движение можно счи тать равномерным.

Скорость такого движения можно считать мгновенной скоростью неравномерного движения в данный момент времени или в заданной точке траектории.

Мгновенная скорость переменного движения точки измеряется той скоростью, с которой двигалась бы точка, если бы, начиная с данного мгновения, ее движение стало равномерным.

Равнопеременное движение Ускорение

Что такое ускорение это величина, характеризующая изменение скорости движения в единицу времени и обозначается буквой а.

Простейшим видом переменного движения является равнопеременное движение, то есть такое движение, при котором скорость в любые равные промежутки времени изменяется на одну и ту же величину.

Расчет ускорения

Пусть в момент времени t₀ скорость имеет значение υ₀, а в момент времени t— значение υ, тогда за время t — t₀ скорость изменилась на υ — υ₀.

Разделив разность скоростей на время движения t — t₀ получим изменение скорости в единицу времени. Формула для вычисления ускорения равнопеременного движения имеет такой вид:

В СИ за единицу ускорения принимается ускорение такого движения, при котором скорость меняется на 1 —за каждую секунду (сокращенно 1(м:с 2 ) В СГС единица ускорения 1(см:с 2 )

Как и скорость, ускорение является векторной величиной. При равнопеременном движении на протяжении всего движения ускорение остается неизменным по величине и направлению.

Ускорение имеет тот же знак, что и изменение скорости υ — υ₀ = ∆υ. Если скорость возрастает по численному значению ( ∆υ > > 0 и а >0), то движение называется равноускоренным. В этом случае вектор скорости и вектор ускорения направлены в одну и ту же сторону.

Если скорость убывает по численному значению, то движение называется равнозамед ленным. Тогда вектор скорости и вектор ускорения направлены в противоположные сто роны ( υ = υ ₀ — at). Из формулы

Следовательно, при равнопеременном движении скорость меняется со временем линейно. Если t₀ = 0, то

Если начальная скорость υ ₀ = 0, то

График расчета ускорения

Построим график, отложив по оси абсцисс время г, а по оси ординат скорость υ ; зададим начальные условия: υ ₀ = 2(м:c), а = 2(м:c 2 )

График скорости (рис. 3) равноускоренного движения есть прямая АВ, наклоненная к оси абсцисс. Отрезок, отсекаемый графиком на оси ординат, показывает величину начальной скорости.

Очевидно, если начальная скорость равна нулю, то график проходит через начала координат.

Для равно замедленного движения из формулы

При равно замедленном движении график скорости есть также прямая линия, пересекающая ось ординат в точке υ ₀, однако наклоненная вниз.

Статья на тему Кинетика

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник

Кинетика физическая

Физическая кинетика (др.-греч. κίνησις — движение) — микроскопическая теория процессов в неравновесных средах. В кинетике методами квантовой или классической статистической физики изучают процессы переноса энергии, импульса, заряда и вещества в различных физических системах (газах, плазме, жидкостях, твёрдых телах) и влияние на них внешних полей. В отличие от термодинамики неравновесных процессов и электродинамики сплошных сред, кинетика исходит из представления о молекулярном строении рассматриваемых сред, что позволяет вычислить из первых принципов кинетические коэффициенты, диэлектрические и магнитные проницаемости и другие характеристики сплошных сред. Физическая кинетика включает в себя кинетическую теорию газов из нейтральных атомов или молекул, статистическую теорию неравновесных процессов в плазме, теорию явлений переноса в твёрдых телах (диэлектриках, металлах и полупроводниках) и жидкостях, кинетику магнитных процессов и теорию кинетических явлений, связанных с прохождением быстрых частиц через вещество. К ней же относятся теория процессов переноса в квантовых жидкостях и сверхпроводниках и кинетика фазовых переходов.

Если известна функция распределения всех частиц системы по их координатам и импульсам в зависимости от времени (в квантовом случае — матрица плотности), то можно вычислить все характеристики неравновесной системы. Вычисление полной функции распределения является практически неразрешимой задачей, но для определения многих свойств физических систем, например, потока энергии или импульса, достаточно знать функцию распределения небольшого числа частиц, а для газов малой плотности — одной частицы.

В кинетике используется существенное различие времён релаксации в неравновесных процессах; например, для газа из частиц или квазичастиц, время свободного пробега значительно больше времени столкновения между частицами. Это позволяет перейти от полного описания неравновесного состояния функцией распределения по всем координатам и импульсам к сокращённому описанию при помощи функции распределения одной частицы по её координатам и импульсам.

Содержание

Кинетическое уравнение

где St — интеграл столкновений, определяющий разность числа частиц, приходящих в элемент объёма вследствие прямых столкновений и убывающих из него вследствие обратных столкновений. Для одноатомных молекул или для многоатомных, но без учёта их внутренних степеней свободы

где ω — вероятность столкновения, связанная с дифференциальным эффективным сечением рассеяния.

Уравнения переноса

где Π_αβ — тензор плотности потока импульса, m — масса частиц, n — плотность числа частиц, — плотность потока энергии.

Если состояние газа мало отличается от равновесного, то в малых элементах объёма устанавливается распределение, близкое к локально равновесному распределению Максвелла, с температурой, плотностью и гидродинамической скоростью, соответствующими рассматриваемой точке газа. В этом случае неравновесная функция распределения мало отличается от локально равновесной и решение кинетического уравнения даёт малую поправку к последней, пропорциональную градиентам температуры и гидродинамичой скорости , так как .

С помощью неравновесной функции распределения можно найти поток энергии (в неподвижной жидкости) , где λ — коэффициент теплопроводности, и тензор плотности потока импульса

уравнение баланса импульса с учётом выражения для плотности потока импульса через градиент скорости даёт уравнения Навье — Стокса, уравнение баланса энергии с учётом выражения для плотности потока тепла даёт уравнение теплопроводности, уравнение баланса числа частиц определ. сорта с учётом выражения для диффуз. потока даёт диффузии уравнение. Такой гидродинамический подход справедлив, если длина свободного пробега λ значительно меньше характерных размеров областей неоднородности.

Газы и плазма

Физическая кинетика позволяет исследовать явления переноса в разреженных газах, когда отношение длины свободного пробега λ к характерным размерам задачи L (то есть число Кнудсена λ / L ) уже не очень мало́ и имеет смысл рассматривать поправки порядка 1 / L (слабо разреженные газы). В этом случае кинетика объясняет явления температурного скачка и течения газов вблизи твёрдых поверхностей.

Теория явлений переноса в плотных газах и жидкостях значительно сложнее, так как для описания неравновесного состояния уже недостаточно одночастичной функции распределения, а нужно учитывать функции распределения более высокого порядка. Частичные функции распределения удовлетворяют цепочке зацепляющихся уравнений (так называемых уравнений Боголюбова или цепочке ББГКИ, то есть уравнений Боголюбова — Борна — Грина — Кирквуда — Ивона). С помощью этих уравнений можно уточнить кинетическое уравнение для газов средней плотности и исследовать для них явления переноса.

Таким образом, кинетические уравнения и уравнения Максвелла образуют связанную систему уравнений Власова — Максвелла, определяющую все неравновесные явления в плазме. Такой подход называется приближением самосогласованного поля. При этом столкновения между электронами учитываются не явно, а лишь через создаваемое ими самосогласованное поле. При учёте столкновений электронов возникает кинетическое уравнение, в котором эффективное сечение столкновений очень медленно убывает с ростом прицельного расстояния, а также становятся существенными столкновения с малой передачей импульса, в интеграле столкновений появляется логарифмическая расходимость. Учёт эффектов экранирования позволяет избежать этой трудности.

Конденсированные среды

Физическая кинетика металлов основана на решении кинетического уравнения для электронов, взаимодействующих с колебаниями кристаллической решётки. Электроны рассеиваются на колебаниях атомов решётки, примесях и дефектах, нарушающих её периодичность, причём возможны как нормальные столкновения, так и процессы переброса. Электрическое сопротивление возникает в результате этих столкновений. физическая кинетика объясняет термоэлектрические, гальваномагнически и термомагнинтные явления, скин-эффект, циклотронный резонанс в высокочастотных полях и другие кинетические эффекты в металлах. Для сверхпроводников она объясняет особенности их высокочастотного поведения.

Физическая кинетика магнитных явлений основана на решении кинетического уравнения для магнонов. Она позволяет вычислить динамическии восприимчивости магнитных систем в переменных полях, изучить кинетику процессов намагничивания.

Фазовые переходы

Физическая кинетика фазовых переходов первого рода, то есть со скачком энтропии, связана с образованием и ростом зародышей новой фазы. Функция распределения зародышей по их размерам (если зародыши считать макроскопическими образованиями, а процесс роста — медленным) удовлетворяет уравнению Фоккера — Планка:

Явления переноса в жидкостях

Теорию явлений переноса в жидкостях также можно отнести к физической кинетике, хотя для жидкостей метод кинетических уравнений непригоден, но для них возможен более общий подход, основанный также на иерархии времён релаксации. Для жидкости время установления равновесия в макроскопически малых (но содержащих ещё большое число молекул) элементарных объёмах значительно больше, чем время релаксации во всей системе, вследствие чего в малых элементах объёма приближённо устанавливается статистическое равновесие. Поэтому в качестве исходного приближения при решении уравнения Лиувилля можно принять локально равновесное распределение Гиббса с температурой , химическим потенциалом и гидродинамической скоростью , соответствующими рассматриваемой точке жидкости. Например, для однокомпонентпой жидкости локально равновесная функция распределения (или матрица плотноси) имеет вид

Приближённое решение уравнения Лиувилля для состояний, близких к статистически равновесному, позволяет вывести уравнения теплопроводности и Навье — Стокса для жидкости и получить микроскопические выражения для кинетических коэффициентов теплопроводности и вязкости через пространственно-временные корреляционные функции плотностей потоков энергии и импульсов всех частиц системы. Этот же подход возможен и для смеси жидкостей. Подобное решение уравнения Лиувилля есть его частное решение, зависящее от времени лишь через параметры , , , соответствующие сокращённому гидродипамическому описанию неравновесного состояния системы, которое справедливо, когда все гидродинамические параметры мало меняются на расстояниях порядка длины свободного пробега (для газов) или длины корреляций потоков энергии или импульса (для жидкостей).

К задачам физической кинетики относится также вычисление обобщённой восприимчивости, выражающей линейную реакцию физической системы на включение внешнего ноля. Её можно выразить через функции Грина с усреднением по состоянию, которое может быть и неравновесным.

В физической кинетике исследуют также кинетические свойства квантовых систем, что требует применения метода матрицы плотности.

Источник