Вириал
для множества
точечных частиц в
механике
определяется как скалярная функция:
-
где
и
— пространственные векторы
координат
и сил для
-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
:
-
где
представляет среднюю полную
кинетическую энергию
и
—
сила
, действующая на
-ю частицу.
В частном случае, когда соответствующая силе
потенциальная энергия
взаимодействия
пропорциональна
-й степени расстояния между частицами
, вириальная теорема принимает простую форму
-
Другими словами, удвоенная средняя полная кинетическая энергия
равна
-кратной средней полной потенциальной энергии
.
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:
-
где
есть
импульс
-й частицы.
Производную по времени
от функции
можно записать так:
-
-
или в более простой форме
-
Здесь
масса
-й частицы,
— полная сила, действующая на частицу, а
— полная
кинетическая энергия
системы
-
Усреднение этой производной за время
определяется следующим образом:
-
откуда мы получим точное решение
-
Вириальная теорема
Вириальная теорема
утверждает:
Если
, то
-
Имеется несколько причин того, почему усреднение производной по времени исчезает, то есть
. Одна часто цитируемая причина апеллирует к
связанным системам
, то есть системам, которые остаются ограниченными в пространстве. В этом случае функция
обычно ограничена двумя пределами,
и
, и среднее стремится к нулю в пределе очень долгих времен
:
-
Данный вывод справедлив лишь для тех систем, в которых функция
зависит только от времени и не зависит существенно от координат. Если среднее значение производной по времени
, вириальная теорема имеет ту же степень приближения.
Соотношение с потенциальной энергией
Полная сила
, действующая на частицу
, есть сумма всех сил действующих со стороны других частиц
в системе
-
где
— сила, действующая на частицу
со стороны частицы
. Отсюда, слагаемое в производной по времени от функции
, содержащее силу, можно переписать в виде:
-
Поскольку отсутствует самодействие (то есть
, где
), мы получим:
-
где мы предположим, что выполняется
третий закон Ньютона
, то есть
(равны по модулю и противоположны по направлению).
Часто случается, что силы могут быть получены из потенциальной энергии
, которая является функцией только расстояния
между точечными частицами
и
. Поскольку сила — это градиент потенциальной энергии с обратным знаком, мы имеем в этом случае
-
который равен по модулю и противоположен по направлению вектору
— силе, которая действует со стороны частицы
на частицу
, как можно показать простыми вычислениями. Отсюда силовое слагаемое в производной от функции
по времени равно
-
Применение к силам, зависящим от расстояния степенным образом
Часто оказывается, что потенциальная энергия
имеет вид степенной функции
-
где коэффициент
и показатель
— константы. В таком случае, силовое слагаемое в производной от функции
по времени задаётся следующими уравнениями
-
где
— полная потенциальная энергия системы:
-
В тех случаях, когда среднее от производной по времени
, выполняется уравнение
-
Обычно приводимый пример —
гравитационное притяжение
, для которого
. В том случае, средняя кинетическая энергия — половина средней отрицательной потенциальной энергии
-
Этот результат является замечательно полезным для сложных гравитационных систем, типа
солнечная система
или
галактика
, и выполняется ещё для , для которой
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:
-
где
—
момент инерции
,
—
вектор Пойнтинга
,
—
кинетическая энергия
«жидкости»,
— случайная тепловая энергия частиц,
и
— энергия электрического и магнитного поля в рассматриваемом объёме системы,
— тензор давления жидкости, выраженный в локальной движущейся системе координат, сопутствующей жидкости:
-
и
— тензор энергии-импульса электромагнитного поля:
-
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
. Если полная масса
ограничена в пределах радиуса
, то момент инерции — примерно
, и левая сторона в вириальной теореме —
. Слагаемые справа составляют в целом величину порядка
, где
— большее из плазменного давления или магнитного давления. Приравнивая эти два члена и учитывая, что
,
,
, где
есть масса иона,
— концентрация ионов,
— объём плазмоида,
— постоянная Больцмана,
— температура, для
находим:
-
где
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:
-
причём величина
превышает кинетическую энергию частиц
на множитель, равный фактору Лоренца
частиц в центре системы. В обычных условиях можно считать, что
, 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
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:
-
где
есть скорость света,
— постоянная поля ускорений,
— плотность массы частиц,
— текущий радиус.
В отличие от теоремы вириала для частиц, для электромагнитного поля теорема вириала записывается следующим образом:
-
где энергия
рассматривается как кинетическая энергия поля, связанная с 4-током
, а величина
-
задаёт потенциальную энергию поля, находимую через компоненты электромагнитного тензора.
См. также
Примечания
-
Сивухин Д. В.
Общий курс физики. Механика. —
М.
: Наука, 1979. — Тираж 50 000 экз. — с. 141.
-
-
Schmidt G.
Physics of High Temperature Plasmas. — Second edition. — Academic Press, 1979. — p. 72.
-
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
: .
-
Fedosin, Sergey G.
(англ.)
// Continuum Mechanics and Thermodynamics : journal. — 2018. — 24 September (vol. 31 , no. 3). — P. 627—638 . —
ISSN
. —
doi
: . —
Bibcode
: . —
arXiv
: .
-
Fedosin S.G. от 23 июня 2019 на
Wayback Machine
Gazi University Journal of Science. Vol. 32, No. 2, pp. 686-703 (2019). .
Литература
-
Goldstein H.
Classical Mechanics. — 2nd. ed. — Addison-Wesley, 1980. —
ISBN 0-201-02918-9
.