Interested Article - Вириал

Вириал для множества N {\displaystyle N} точечных частиц в механике определяется как скалярная функция:

k = 1 N F k r k , {\displaystyle \sum _{k=1}^{N}\mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k},}

где r k {\displaystyle \mathbf {r} _{k}} и F k {\displaystyle \mathbf {F} _{k}} — пространственные векторы координат и сил для k {\displaystyle k} -й частицы.

Выражение «вириал» происходит от латинских слов «vis» , «viris» — «сила» или «энергия». Оно было введено Клаузиусом в 1870 году .

Теорема о вириале

Для стабильной системы, связанной потенциальными силами, справедлива теорема о вириале :

2 T = k = 1 N F k r k , {\displaystyle 2\langle T\rangle =-\sum _{k=1}^{N}\langle \mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}\rangle ,}

где T {\displaystyle \langle T\rangle } представляет среднюю полную кинетическую энергию и F k {\displaystyle \mathbf {F} _{k}} сила , действующая на k {\displaystyle k} -ю частицу.

В частном случае, когда соответствующая силе потенциальная энергия взаимодействия V ( r ) {\displaystyle V(r)} пропорциональна n {\displaystyle n} -й степени расстояния между частицами r {\displaystyle r} , вириальная теорема принимает простую форму

2 T = n U . {\displaystyle 2\langle T\rangle =n\langle U\rangle .}

Другими словами, удвоенная средняя полная кинетическая энергия T {\displaystyle T} равна n {\displaystyle n} -кратной средней полной потенциальной энергии U {\displaystyle U} .

Значение теоремы о вириале состоит в том, что она позволяет вычислить среднюю полную кинетическую энергию даже для очень сложных систем, недоступных для точного решения, которые рассматривает, например, статистическая механика . Например, теорему о вириале можно использовать, чтобы вывести эквипарциальную теорему (теорема о равномерности распределении энергии по степеням свободы) или вычислить предел Чандрасекара для устойчивости белого карлика .

Производная по времени и усреднение

С вириалом тесно связана другая скалярная функция:

G = k = 1 N p k r k , {\displaystyle G=\sum _{k=1}^{N}\mathbf {p} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k},}

где p k {\displaystyle \mathbf {p} _{k}} есть импульс k {\displaystyle k} -й частицы.

Производную по времени от функции G {\displaystyle G} можно записать так:

d G d t = k = 1 N d p k d t r k + k = 1 N p k d r k d t = {\displaystyle {\frac {dG}{dt}}=\sum _{k=1}^{N}{\frac {d\mathbf {p} _{k}}{dt}}\cdot \mathbf {r} _{k}+\sum _{k=1}^{N}\mathbf {p} _{k}\cdot {\frac {d\mathbf {r} _{k}}{dt}}=}
= k = 1 N F k r k + k = 1 N m k d r k d t d r k d t {\displaystyle =\sum _{k=1}^{N}\mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}+\sum _{k=1}^{N}m_{k}{\frac {d\mathbf {r} _{k}}{dt}}\cdot {\frac {d\mathbf {r} _{k}}{dt}}}

или в более простой форме

d G d t = 2 T + k = 1 N F k r k . {\displaystyle {\frac {dG}{dt}}=2T+\sum _{k=1}^{N}\mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}.}

Здесь m k {\displaystyle m_{k}} масса k {\displaystyle k} -й частицы, F k = d p k d t {\displaystyle \mathbf {F} _{k}={\frac {d\mathbf {p} _{k}}{dt}}} — полная сила, действующая на частицу, а T {\displaystyle T} — полная кинетическая энергия системы

T = 1 2 k = 1 N m k v k 2 = 1 2 k = 1 N m k d r k d t d r k d t . {\displaystyle T={\frac {1}{2}}\sum _{k=1}^{N}m_{k}v_{k}^{2}={\frac {1}{2}}\sum _{k=1}^{N}m_{k}{\frac {d\mathbf {r} _{k}}{dt}}\cdot {\frac {d\mathbf {r} _{k}}{dt}}.}

Усреднение этой производной за время τ {\displaystyle \tau } определяется следующим образом:

d G d t τ = 1 τ 0 τ d G d t d t = 1 τ 0 τ d G = G ( τ ) G ( 0 ) τ , {\displaystyle \left\langle {\frac {dG}{dt}}\right\rangle _{\tau }={\frac {1}{\tau }}\int \limits _{0}^{\tau }{\frac {dG}{dt}}\,dt={\frac {1}{\tau }}\int \limits _{0}^{\tau }dG={\frac {G(\tau)-G(0)}{\tau }},}

откуда мы получим точное решение

d G d t τ = 2 T τ + k = 1 N F k r k τ . {\displaystyle \left\langle {\frac {dG}{dt}}\right\rangle _{\tau }=2\langle T\rangle _{\tau }+\sum _{k=1}^{N}\langle \mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}\rangle _{\tau }.}

Вириальная теорема

Вириальная теорема утверждает:

Если d G d t τ = 0 {\displaystyle \left\langle {\frac {dG}{dt}}\right\rangle _{\tau }=0} , то

2 T τ = k = 1 N F k r k τ . {\displaystyle 2\langle T\rangle _{\tau }=-\sum _{k=1}^{N}\langle \mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}\rangle _{\tau }.}

Имеется несколько причин того, почему усреднение производной по времени исчезает, то есть d G d t τ = 0 {\displaystyle \left\langle {\frac {dG}{dt}}\right\rangle _{\tau }=0} . Одна часто цитируемая причина апеллирует к связанным системам , то есть системам, которые остаются ограниченными в пространстве. В этом случае функция G b o u n d {\displaystyle G^{\mathrm {bound} }} обычно ограничена двумя пределами, G min {\displaystyle G_{\min }} и G max {\displaystyle G_{\max }} , и среднее стремится к нулю в пределе очень долгих времен τ {\displaystyle \tau } :

lim τ | d G b o u n d d t τ | = lim τ | G ( τ ) G ( 0 ) τ | lim τ G max G min τ = 0. {\displaystyle \lim _{\tau \to \infty }\left|\left\langle {\frac {dG^{\mathrm {bound} }}{dt}}\right\rangle _{\tau }\right|=\lim _{\tau \to \infty }\left|{\frac {G(\tau)-G(0)}{\tau }}\right|\leqslant \lim _{\tau \to \infty }{\frac {G_{\max }-G_{\min }}{\tau }}=0.}

Данный вывод справедлив лишь для тех систем, в которых функция G {\displaystyle G} зависит только от времени и не зависит существенно от координат. Если среднее значение производной по времени d G d t τ 0 {\displaystyle \left\langle {\frac {dG}{dt}}\right\rangle _{\tau }\approx 0} , вириальная теорема имеет ту же степень приближения.

Соотношение с потенциальной энергией

Полная сила F k {\displaystyle \mathbf {F} _{k}} , действующая на частицу k {\displaystyle k} , есть сумма всех сил действующих со стороны других частиц j {\displaystyle j} в системе

F k = j = 1 N F j k , {\displaystyle \mathbf {F} _{k}=\sum _{j=1}^{N}\mathbf {F} _{jk},}

где F j k {\displaystyle \mathbf {F} _{jk}} — сила, действующая на частицу j {\displaystyle j} со стороны частицы k {\displaystyle k} . Отсюда, слагаемое в производной по времени от функции G {\displaystyle G} , содержащее силу, можно переписать в виде:

k = 1 N F k r k = k = 1 N j = 1 N F j k r k . {\displaystyle \sum _{k=1}^{N}\mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}=\sum _{k=1}^{N}\sum _{j=1}^{N}\mathbf {F} _{jk}\cdot \mathbf {r} _{k}.}

Поскольку отсутствует самодействие (то есть F j k = 0 {\displaystyle \mathbf {F} _{jk}=0} , где j = k {\displaystyle j=k} ), мы получим:

k = 1 N F k r k = k = 1 N j < k F j k r k + k = 1 N j > k F j k r k = k = 1 N j < k F j k ( r k r j ) , {\displaystyle \sum _{k=1}^{N}\mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}=\sum _{k=1}^{N}\sum _{j<k}\mathbf {F} _{jk}\cdot \mathbf {r} _{k}+\sum _{k=1}^{N}\sum _{j>k}\mathbf {F} _{jk}\cdot \mathbf {r} _{k}=\sum _{k=1}^{N}\sum _{j<k}\mathbf {F} _{jk}\cdot (\mathbf {r} _{k}-\mathbf {r} _{j}),}

где мы предположим, что выполняется третий закон Ньютона , то есть F j k = F k j {\displaystyle \mathbf {F} _{jk}=-\mathbf {F} _{kj}} (равны по модулю и противоположны по направлению).

Часто случается, что силы могут быть получены из потенциальной энергии V {\displaystyle V} , которая является функцией только расстояния r j k {\displaystyle r_{jk}} между точечными частицами j {\displaystyle j} и k {\displaystyle k} . Поскольку сила — это градиент потенциальной энергии с обратным знаком, мы имеем в этом случае

F j k = r k V = d V d r r k r j r j k , {\displaystyle \mathbf {F} _{jk}=-\nabla _{\mathbf {r} _{k}}V=-{\frac {dV}{dr}}{\frac {\mathbf {r} _{k}-\mathbf {r} _{j}}{r_{jk}}},}

который равен по модулю и противоположен по направлению вектору F k j = r j V {\displaystyle \mathbf {F} _{kj}=-\nabla _{\mathbf {r} _{j}}V} — силе, которая действует со стороны частицы k {\displaystyle k} на частицу j {\displaystyle j} , как можно показать простыми вычислениями. Отсюда силовое слагаемое в производной от функции G {\displaystyle G} по времени равно

k = 1 N F k r k = k = 1 N j < k F j k ( r k r j ) = k = 1 N j < k d V d r ( r k r j ) 2 r j k = k = 1 N j < k d V d r r j k . {\displaystyle \sum _{k=1}^{N}\mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}=\sum _{k=1}^{N}\sum _{j<k}\mathbf {F} _{jk}\cdot (\mathbf {r} _{k}-\mathbf {r} _{j})=-\sum _{k=1}^{N}\sum _{j<k}{\frac {dV}{dr}}{\frac {(\mathbf {r} _{k}-\mathbf {r} _{j})^{2}}{r_{jk}}}=-\sum _{k=1}^{N}\sum _{j<k}{\frac {dV}{dr}}r_{jk}.}

Применение к силам, зависящим от расстояния степенным образом

Часто оказывается, что потенциальная энергия V {\displaystyle V} имеет вид степенной функции

V ( r j k ) = α r j k n , {\displaystyle V(r_{jk})=\alpha r_{jk}^{n},}

где коэффициент α {\displaystyle \alpha } и показатель n {\displaystyle n} — константы. В таком случае, силовое слагаемое в производной от функции G {\displaystyle G} по времени задаётся следующими уравнениями

k = 1 N F k r k = k = 1 N j < k d V d r r j k = k = 1 N j < k n V ( r j k ) = n U , {\displaystyle -\sum _{k=1}^{N}\mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}=\sum _{k=1}^{N}\sum _{j<k}{\frac {dV}{dr}}r_{jk}=\sum _{k=1}^{N}\sum _{j<k}nV(r_{jk})=nU,}

где U {\displaystyle U} — полная потенциальная энергия системы:

U = k = 1 N j < k V ( r j k ) . {\displaystyle U=\sum _{k=1}^{N}\sum _{j<k}V(r_{jk}).}

В тех случаях, когда среднее от производной по времени d G d t τ = 0 {\displaystyle \left\langle {\frac {dG}{dt}}\right\rangle _{\tau }=0} , выполняется уравнение

T τ = 1 2 k = 1 N F k r k τ = n 2 U τ . {\displaystyle \langle T\rangle _{\tau }=-{\frac {1}{2}}\sum _{k=1}^{N}\langle \mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}\rangle _{\tau }={\frac {n}{2}}\langle U\rangle _{\tau }.}

Обычно приводимый пример — гравитационное притяжение , для которого n = 1 {\displaystyle n=-1} . В том случае, средняя кинетическая энергия — половина средней отрицательной потенциальной энергии

T τ = 1 2 U τ . {\displaystyle \langle T\rangle _{\tau }=-{\frac {1}{2}}\langle U\rangle _{\tau }.}

Этот результат является замечательно полезным для сложных гравитационных систем, типа солнечная система или галактика , и выполняется ещё для , для которой n = 1 {\displaystyle n=-1} также.

Хотя это выражение получено для классической механики, вириальная теорема верна и для квантовой механики .

Учёт электромагнитных полей

Вириальную теорему можно обобщить на случай электрических и магнитных полей. Результат:

1 2 d 2 d t 2 I + V x k P k t d 3 r = 2 ( T + U ) + W E + W M x k ( p i k + T i k ) d S i , {\displaystyle {\frac {1}{2}}{\frac {d^{2}}{dt^{2}}}I+\int \limits _{V}x_{k}{\frac {\partial P_{k}}{\partial t}}\,d^{3}r=2(T+U)+W^{E}+W^{M}-\int x_{k}(p_{ik}+T_{ik})\,dS_{i},}

где I {\displaystyle I} момент инерции , P {\displaystyle P} вектор Пойнтинга , T {\displaystyle T} кинетическая энергия «жидкости», U {\displaystyle U} — случайная тепловая энергия частиц, W E {\displaystyle W^{E}} и W M {\displaystyle W^{M}} — энергия электрического и магнитного поля в рассматриваемом объёме системы, p i k {\displaystyle p_{ik}} — тензор давления жидкости, выраженный в локальной движущейся системе координат, сопутствующей жидкости:

p i k = Σ n σ m σ v i v k σ V i V k Σ m σ n σ {\displaystyle p_{ik}=\Sigma n^{\sigma }m^{\sigma }\langle v_{i}v_{k}\rangle ^{\sigma }-V_{i}V_{k}\Sigma m^{\sigma }n^{\sigma }}

и T i k {\displaystyle T_{ik}} — тензор энергии-импульса электромагнитного поля:

T i k = ( ε 0 E 2 2 + B 2 2 μ 0 ) δ i k ( ε 0 E i E k + B i B k μ 0 ) . {\displaystyle T_{ik}=\left({\frac {\varepsilon _{0}E^{2}}{2}}+{\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}\right)\delta _{ik}-\left(\varepsilon _{0}E_{i}E_{k}+{\frac {B_{i}B_{k}}{\mu _{0}}}\right).}

Плазмоид — ограниченная конфигурация магнитных полей и плазмы. С помощью вириальной теоремы легко показать, что любая такая конфигурация расширяется, если не сдерживается внешними силами. В конечной конфигурации поверхностный интеграл исчезнет без оказывающих давление стен или магнитных катушек. Так как все другие слагаемые справа положительные, ускорение момента инерции также будет положительно. Легко оценить время расширения τ {\displaystyle \tau } . Если полная масса M {\displaystyle M} ограничена в пределах радиуса R {\displaystyle R} , то момент инерции — примерно M R 2 {\displaystyle MR^{2}} , и левая сторона в вириальной теореме — M R 2 / τ 2 {\displaystyle MR^{2}/\tau ^{2}} . Слагаемые справа составляют в целом величину порядка p R 3 {\displaystyle pR^{3}} , где p {\displaystyle p} — большее из плазменного давления или магнитного давления. Приравнивая эти два члена и учитывая, что M = m i n V m i n R 3 {\displaystyle M=m_{i}nV\sim m_{i}nR^{3}} , p n k T {\displaystyle p\sim nkT} , c s 2 k T m i {\displaystyle c_{s}^{2}\sim {\frac {kT}{m_{i}}}} , где m i {\displaystyle m_{i}} есть масса иона, n {\displaystyle n} — концентрация ионов, V R 3 {\displaystyle V\sim R^{3}} — объём плазмоида, k {\displaystyle k} — постоянная Больцмана, T {\displaystyle T} — температура, для τ {\displaystyle \tau } находим:

τ R / c s , {\displaystyle \tau \sim R/c_{s},}

где c s {\displaystyle c_{s}} является скоростью (или волны Альфена , если магнитное давление выше, чем плазменное давление). Таким образом, время жизни плазмоида, как ожидают, будет равняться по порядку величины акустическому (альфеновскому) времени прохождения.

Релятивистская однородная система

В случае, когда в физической системе учитывается поле давления, электромагнитное и гравитационное поля, а также поле ускорений частиц, теорема вириала в релятивистской форме записывается так:

W k 0 , 6 k = 1 N F k r k , {\displaystyle ~\langle W_{k}\rangle \approx -0{,}6\sum _{k=1}^{N}\langle \mathbf {F} _{k}\cdot \mathbf {r} _{k}\rangle ,}

причём величина W k γ c T {\displaystyle ~W_{k}\approx \gamma _{c}T} превышает кинетическую энергию частиц T {\displaystyle ~T} на множитель, равный фактору Лоренца γ c {\displaystyle ~\gamma _{c}} частиц в центре системы. В обычных условиях можно считать, что γ c 1 {\displaystyle ~\gamma _{c}\approx 1} , и тогда видно, что в теореме вириала кинетическая энергия связана с потенциальной энергией не коэффициентом 0,5, а скорее коэффициентом, близким к 0,6. Отличие от классического случая возникает за счёт учёта поля давления и поля ускорений частиц внутри системы, при этом производная от скалярной функции G {\displaystyle ~G} не равна нулю и должна рассматриваться как производная Лагранжа .

Анализ интегральной теоремы обобщённого вириала позволяет найти на основе теории поля формулу для среднеквадратичной скорости типичных частиц системы, не используя понятия температуры:

v r m s = c 1 4 π η ρ 0 r 2 c 2 γ c 2 sin 2 ( r c 4 π η ρ 0 ) , {\displaystyle v_{\mathrm {rms} }=c{\sqrt {1-{\frac {4\pi \eta \rho _{0}r^{2}}{c^{2}\gamma _{c}^{2}\sin ^{2}{\left({\frac {r}{c}}{\sqrt {4\pi \eta \rho _{0}}}\right)}}}}},}

где c {\displaystyle ~c} есть скорость света, η {\displaystyle ~\eta } — постоянная поля ускорений, ρ 0 {\displaystyle ~\rho _{0}} — плотность массы частиц, r {\displaystyle ~r} — текущий радиус.

В отличие от теоремы вириала для частиц, для электромагнитного поля теорема вириала записывается следующим образом:

E k f + 2 W f = 0 , {\displaystyle ~E_{kf}+2W_{f}=0,}

где энергия E k f = A α j α g d x 1 d x 2 d x 3 {\displaystyle ~E_{kf}=\int {A_{\alpha }j^{\alpha }{\sqrt {-g}}dx^{1}dx^{2}dx^{3}}}

рассматривается как кинетическая энергия поля, связанная с 4-током j α {\displaystyle ~j^{\alpha }} , а величина

W f = 1 4 μ 0 F α β F α β g d x 1 d x 2 d x 3 {\displaystyle ~W_{f}={\frac {1}{4\mu _{0}}}\int {F_{\alpha \beta }F^{\alpha \beta }{\sqrt {-g}}dx^{1}dx^{2}dx^{3}}}

задаёт потенциальную энергию поля, находимую через компоненты электромагнитного тензора.

См. также

Примечания

  1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Механика. — М. : Наука, 1979. — Тираж 50 000 экз. — с. 141.
  2. Schmidt G. Physics of High Temperature Plasmas. — Second edition. — Academic Press, 1979. — p. 72.
  3. Fedosin, S. G. The virial theorem and the kinetic energy of particles of a macroscopic system in the general field concept (англ.) // Continuum Mechanics and Thermodynamics : journal. — 2016. — Vol. 29 , no. 2 . — P. 361—371 . — doi : . — Bibcode : . — arXiv : .
  4. Fedosin, Sergey G. (англ.) // Continuum Mechanics and Thermodynamics : journal. — 2018. — 24 September (vol. 31 , no. 3). — P. 627—638 . — ISSN . — doi : . — Bibcode : . — arXiv : .
  5. Fedosin S.G. от 23 июня 2019 на Wayback Machine Gazi University Journal of Science. Vol. 32, No. 2, pp. 686-703 (2019). .

Литература

Same as Вириал