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理想气体单位时间单位面积撞击器壁的分子数为什么是 ¼nv?

2022-01-26知识

先上一个图

单位时间撞击到面积元 \mathrm dA 的速度为 \vec{v} 的分子都在图中的柱体内,数目为

\mathrm dN'(v_y)= nv_yf(v_y)\mathrm dv_y\mathrm dt\mathrm dA

其中 f(v_y) 为分子的速度分布。

各种速度的分子都考虑进去,

\begin{split} N'=&\int \mathrm dN'(v_y)\\\\ =&n\mathrm dt\mathrm dA \int_0^{\infty}v_yf(v_y)\mathrm dv_y \\\\ =&n\mathrm dt\mathrm dA\int_{0}^{\infty} \left(\frac{m}{2\pi kT}\right)^{1/2}\exp\left(-\frac{mv_y^2}{2 kT}\right)v_y\mathrm dv_y \\\\ =&n\mathrm dt\mathrm dA \left(\frac{kT}{2\pi m}\right)^{1/2} =\frac{n}{4}\left(\frac{8kT}{\pi m}\right)^{1/2}\mathrm dt\mathrm dA \\\\ =&\frac{n\bar{v}}{4}\mathrm dt\mathrm dA \end{split}

单位时间碰撞到器壁单位面积上的分子数为:

\Gamma=\frac{N'}{\mathrm dt\mathrm dA }=\frac{n\bar{v}}{4}

@qfzklm 大佬说了,不需要麦克斯韦分布,只要速率分布球对称即可。

用极坐标再处理一下上面的问题。

先上图

现在开始用极坐标计算

\begin{split} N'=& n\mathrm dt\mathrm dA \cdot \frac{1}{4\pi} \int_0^{\infty}\int_0^{\pi/2}v\cos\theta f(v)\mathrm dv \sin\theta \mathrm d\theta\int_0^{2\pi}\mathrm d\varphi \\\\ =& \frac{n\mathrm dt\mathrm dA}{4\pi} \int_0^{\infty}v f(v)\mathrm dv \int_0^{\pi/2} \cos\theta \sin\theta \mathrm d\theta\int_0^{2\pi}\mathrm d\varphi \\\\ =& \frac{n\mathrm dt\mathrm dA}{4\pi} \int_0^{\infty}v f(v) \mathrm dv \cdot \frac{1}{2}\cdot (2 \pi) \\\\ =& \frac{nv_{\mathrm a}}{4}\mathrm dt\mathrm dA \end{split}

单位时间碰撞到器壁单位面积上的分子数为:

\Gamma=\frac{N'}{\mathrm dt\mathrm dA }=\frac{n\bar{v}}{4}

大佬的洞察是对的,不需要速度分布是麦克斯韦分布,只需要速度分布是球对称即可。