Virialni izrek

Iz testwiki
Redakcija dne 20:57, 30. december 2024 od imported>TadejM (Prestavljanje iz kategorije Osnovni fizikalni koncepti v kategorijo Fizikalni koncepti uporaba Cat-a-lot)
(razl) ← Starejša redakcija | prikaži trenutno redakcijo (razl) | Novejša redakcija → (razl)
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje

Viriálni izrèk v mehaniki predpisuje splošno enačbo, ki povezuje časovno povprečje skupne kinetične energije T stabilnega sistema z N delci, omejenimi s potencialnimi silami, s skupno potencialno energijo VS, kjer lomljeni oklepaji predstavljajo časovno povprečje dane količine. Matematično izrek pravi:

T=12k=1N𝐅k𝐫k,

kjer je Fk sila na k-ti delec z vektorjem lege rk. Beseda virialen za desno stran enačbe izhaja iz besede vis, latinske besede za silo ali energijo. Njeno tehniško definicijo je podal Rudolf Clausius leta 1870.[1]

Pomen virialnega izreka je v tem, da omogoča izračun povprečne skupne kinetične energije tudi za zelo zapletene sisteme, ki kljubujejo eksaktni rešitvi, na primer za sisteme v statistični mehaniki. Ta povprečna skupna kinetična energija je povezane s temperaturo sistema z ekviparticijskim izrekom. Vendar virialni izrek ni odvisen od pojma temperature in velja tudi za sisteme, ki niso v toplotnem ravnovesju. Virialni izrek so posplošili na različne načine, najbolj pa je znana tenzorska oblika.

Če sila dveh poljubnih delcev izvira iz potencialne energije V(r) = αr n, ki je sorazmerna z neko potenco n srednje razdalje med delcema r, ima virialni izrek preprostejšo obliko:

2T=nVS.

Dvakratna povprečna skupna kinetična energija T je tako enaka n-kratniku povprečne skupne potencialne energije VS. V(r) predstavlja potencialno energijo med dvema delcema, VS pa predstavlja skupno potencialno energijo sistema, to je vsoto potencialne energije V(r) čez vse pare delcev v sistemu. Splošni zgled za takšen sistem je zvezda, ki jo v ravnovesju ohranja njena gravitacija, pri čemer je n enak −1.

Čeprav je virialni izrek odvisen od povprečenja skupne kinetične in potencialne energije, tukajšnja predstavitev zanemarja povprečenje do zadnjega koraka.

Zgodovina

Clausius je leta 1870 Zvezi za naravoslovje in medicinske znanosti Spodnjega Rena po dvajsetletnem raziskovanju v termodinamiki podal predavanje O mehanskem izreku uporabnem za toploto (Über einen auf die Wärme anwendbaren mechanischen Satz). V predavanju je navedel, da je srednja živa sila sistema enaka njegovemu virialu, oziroma, da je povprečna kinetična energija enaka 1/2 povprečne potencialne energije. Virialni izrek se lahko izpelje neposredno iz Lagrangeeve enakosti, kakor se uporablja v klasični gravitacijski dinamiki, izvirni obliki, vključeni v Lagrangeev Esej o problemu treh teles, objavljenem leta 1772. Jacobijeva posplošitev enakosti na n teles in sedanjo obliko je zelo podobna klasičnemu virialnemu izreku. Vendar so bile interpretacije, ki so vodile do razvoja enačb, zelo različne, saj statistična dinamika tedaj še ni poenotila ločene raziskave termodinamike in klasične dinemike.[2] Izrek so kasneje rabili, popularizirali, posplošili in naprej razvili James Clerk Maxwell, lord Rayleigh, Henri Poincaré, Subrahmanyan Chandrasekhar, Enrico Fermi, Paul Ledoux in Eugene Newman Parker. Fritz Zwicky je prvi uporabil virialni izrek pri izvajanju obstoja nevidne snovi, sedaj imenovane temna energija. Virialni izrek poleg mnogih drugih uporab nastopa tudi pri izpeljavi Chandrasekharjeve meje za stabilnost belih pritlikavk.

Definicija in izpeljava

Za N točkastih delcev je skalarni vztrajnostni moment J okrog koordinatnega izhodišča enak:

J=k=1Nmk|𝐫k|2=k=1Nmkrk2,

kjer sta mk in rk masa in lega k-tega delca. rk=|rk| je velikost krajevnega vektorja. Skalar G je določen kot:

G=k=1N𝐩k𝐫k,

kjer je pk vektor gibalne količine k-tega delca. Če se predpostavi, da je masa konstantna, je G enak polovici časovnega odvoda tega vztrajnostnega momenta:

12dJdt=12ddtk=1Nmk𝐫k𝐫k=k=1Nmkd𝐫kdt𝐫k=k=1N𝐩k𝐫k=G.

Po vrsti se lahko časovni odvod G zapiše kot:

dGdt=k=1N𝐩kd𝐫kdt+k=1Nd𝐩kdt𝐫k=k=1Nmkd𝐫kdtd𝐫kdt+k=1N𝐅k𝐫k=2T+k=1N𝐅k𝐫k,

kjer je mk masa k-tega delca, 𝐅k=d𝐩kdt zunanja sila na ta delec in T skupna kinetična energija sistema:

T=12k=1Nmkvk2=12k=1Nmkd𝐫kdtd𝐫kdt.

Povezava s potencialno energijo med delci

Skupna sila 𝐅k na k-ti delec je vsota vseh sil od drugih delcev j v sistemu:

𝐅k=j=1N𝐅jk,

kjer je 𝐅jk sila, s katero deluje j-ti delec na k-ti delec. Tako se lahko virialni izrek zapiše kot:

12k=1N𝐅k𝐫k=12k=1Nj=1N𝐅jk𝐫k.

Ker noben delec ne deluje nase (kar pomeni, da je 𝐅jk=0, pri j=k), velja:

k=1N𝐅k𝐫k=k=1Nj<k𝐅jk𝐫k+k=1Nj>k𝐅jk𝐫k=k=1Nj<k𝐅jk(𝐫k𝐫j),[3]

pri čemer se privzame, da tretji Newtonov zakon velja, oziroma, da velja 𝐅jk=𝐅kj (enaka in nasprotna reakcija).

Velikokrat se zgodi, da se lahko sile izvedejo iz potencialne energije V, ki je le funkcija razdalje rjk med točkastima delcema j in k. Ker je sila negativni gradient potencialne energije, je v tem primeru:

𝐅jk=𝐫kV=dVdr(𝐫k𝐫jrjk),

kar je očitno enako in nasprotno 𝐅kj=𝐫jV, sila, s katero deluje k-ti delec na j-ti delec, kot se potrdi z eksplicitnim računom. Zato je:

k=1N𝐅k𝐫k=k=1Nj<k𝐅jk(𝐫k𝐫j)=k=1Nj<kdVdr|𝐫k𝐫j|2rjk=k=1Nj<kdVdrrjk.

S tem je:

dGdt=2T+k=1N𝐅k𝐫k=2Tk=1Nj<kdVdrrjk .

Posebni primer za sile potenčnega zakona

V splošnem posebnem primeru je potencialna energija V med dvema delcema sorazmerna s potenco n njune medsebojne razdalje r:

V(rjk)=αrjkn,

kje sta α in eksponent n konstanti. V takšnih primerih ima virialni izrek obliko:

12k=1N𝐅k𝐫k=12k=1Nj<kdVdrrjk=12k=1Nj<knV(rjk)=n2VS,

kjer je VS skupna potencialna energija sistema:

VS=k=1Nj<kV(rjk).

Tako je:

dGdt=2T+k=1N𝐅k𝐫k=2TnVS.

Za gravitacijske sisteme je eksponent n enak −1, kar da Lagraneevo enakost:

dGdt=12d2Jdt2=2T+VS.

To je izpeljal Lagrange in razširil Jacobi.

Časovno povprečenje

Povprečje tega odvoda po času τ je določeno kot:

dGdtτ=1τ0τdGdtdt=1τG(0)G(τ)dG=G(τ)G(0)τ,

od koder izhaja točna enačba:

dGdtτ=2Tτ+k=1N𝐅k𝐫kτ.

Virialni izrek pravi, da če je dG/dtτ=0, potem velja:

2Tτ=k=1N𝐅k𝐫kτ.

Obstaja več razlogov zakaj se lahko povprečje časovnega odvoda izniči, oziroma da je dG/dtτ=0. Eden od velikokrat navajanih razlogov se nanaša na stabilne omejene sisteme, sisteme, ki se držijo skupaj za vedno in katerih parametri so končni. V tem primeru imajo hitrosti in koordinate delcev sistema zgornje in spodnje meje, tako da je GM omejen med dvema ekstremoma Gmin in Gmax, povprečje pa gre proti nič v limiti zelo dolgih časov τ:

limτ|dGMdtτ|=limτ|G(τ)G(0)τ|limτGmaxGminτ=0.

Četudi je povprečje časovnega odvoda G samo približno enako nič, virialni izrek velja do enake mere približka.

Za sile potenčnih zakonov z eksponentom n velja splošna enačba:

Tτ=12k=1N𝐅k𝐫kτ=n2VSτ.

Za gravitacijo je n enak −1, povprečna kinetična energija pa je enaka polovici povprečne negativne potencialne energije:

Tτ=12VSτ.

Ta splošni rezultat je uporaben za zapletene gravitacijske sisteme kot so na primer planetni sestavi ali galaksije.

Preprosta uporaba virialnega izreka pride v poštev pri jatah galaksij. Če je v območju nenavadno veliko galaksij, se lahko privzame, da so skupaj že dolgo časa in virialni izrek se lahko uporabi. Meritve Dopplerjevega pojava dajo spodnje meje za njihove relativne hitrosti, virialni izrek pa da spodnjo mejo za skupno maso jate, vključno z morebitno temno snovjo.

Povprečenje ni nujno obravnavati časovno. Lahko se obravnava tudi povprečje ansambla z enakovrednimi rezultati.

V kvantni mehaniki

Čeprav je bil virialni izrek izvirno izpeljan za klasično mehaniko, velja tudi za kvantno mehaniko, kot je prvi pokazal Fok.[4]

Če se izračuna komutator Hamiltonove funkcije H=V({Xi})+nPn2/2m in produkt XnPn operatorja lege Xn in operatorja gibalne količine Pn=id/dXn n-tega delca:

[H,XnPn]=Xn[H,Pn]+[H,Xn]Pn=iXndVdXniPn2m,

in sešteje vsoto za vse delce, je za Q=nXnPn komutator:

i[H,Q]=2TnXndVdXn

s kinetično energijo T=nPn2/2m. Leva stran enačbe je enaka dQ/dt, glede na Heisenbergovo enačbo gibanja. Vrednost verjetnosti dQ/dt tega časovnega odvoda se v stacionarnem stanju izniči in odtod izhaja kvantni virialni izrek:

2T=nXndVdXn.

V posebni teoriji relativnosti

Za posamezen delec v posebni teoriji relativnosti ne velja T=12𝐩𝐯. Namesto tega velja T=(γ1)mc2 in:

12𝐩𝐯=12βγmcβc=12γβ2mc2=(γβ22(γ1))T.

Zadnji izraz se lahko poenostavi v (1+1β22)T ali v (γ+12γ)T.

Tako pod pogoji, opisanimi v predhodnih razdelkih (vključno s tretjim Newtonovim zakonom gibanja 𝐅jk=𝐅kj, navkljub relativnosti), je časovno povprečje za N delcev s potencialom potenčnega zakona enako:

n2VSτ=k=1N(1+1βk22)Tkτ=k=1N(γk+12γk)Tkτ.

Še posebej razmerje kinetične in potencialne energije ni več stalno, ampak nujno pade v interval:

2TSnVS[1,2],

kjer bolj relativistični sistemi kažejo večja razmerja.

Posplošitve

Lord Rayleigh je objavil posplošitev virialnega izreka leta 1903.[5] Henri Poincaré je uporabil obliko virialnega izreka leta 1911 pri problemu določanja kozmološke stabilnosti.[6] Variacijsko obliko virialnega izreka je leta 1945 razvil Ledoux.[7] Tenzorsko obliko virialnega izreka so razvili Parker,[8] Chandrasekhar[9] in Fermi.[10] Pollard je leta 1964 razvil naslednjo posplošitev virialnega izreka za primer obratnega kvadratnega zakona:[11][12] trditev 2lim\limits τ+Tτ=lim\limits τ+Uτ je pravilna, če in samo če je lim\limits τ+τ2J(τ)=0. Drugače je treba dodati mejni člen, kot v sklicu.[13]

Vključitev elektromagnetnih polj

Virialni izrek se lahko na električna in magnetna polja. Rezultat je:[14]

12d2Jdt2+VxkGktd3r=2(T+U)+WE+WMxk(pik+Tik)dSi,

kjer je J vztrajnostni moment, G momentna gostota elektromagnetnega polja, T kinetična energija »tekočine«, U naključna »toplotna« energija delcev, WE in WM električna in magnetna energija v obravnavani prostornini. pik je tenzor tekočinskega tlaka izražen v krajevnem gibajočem se koordinatnem sistemu:

pik=ΣnσmσvivkσViVkΣmσnσ,

Tik pa je elektromagnetni napetostni tenzor:

Tik=(ε0E22+B22μ0)δik(ε0EiEk+BiBkμ0).

Plazmoid je končna povezana struktura magnetnih polj in plazme. Z virialnim izrekom se lahko vidi, da se bo vsaka takšna struktura širila, če jo ne bodo zadrževale zunanje sile. V končni razporeditvi brez sten na katere deluje tlak ali magnetnih tuljav bo ploskovni integral enak nič. Ker so vsi členi na desni strani pozitivni, bo pozitiven tudi pospešek vztrajnostnega momenta. Preprosto je določiti tudi čas širjenja τ. Če je skupna masa M omejena znotraj polmera R, je vztrajnostni moment približno enak MR2, leva stran virialnega izreka pa je enaka MR22. Vsota členov na desni je približno pR3, kjer je p tlak plazme ali magnetni tlak, odvisno od tega kateri je večji. Če se člena izenačita in se razreši po τ, velja:

τR/cs,

kjer je cs hitrost ionskega zvočnega valovanja (ali Alfvénovih valov, če je magnetni tlak večji od plazemskega tlaku). Tako je stopnja življenjske dobe plazmoida enaka stopnji prehodnega časa zvočnih (ali Alfvénovih) valov.

V astrofiziki

Virialni izrek se pogosto rabi v astrofiziki, še posebej v povezavi gravitacijske potencialne energije sistema z njegovo kinetično ali toplotno energijo. Nekatere virialne zveze so:

35κmR=32kBTmp=12v2,

za maso m, polmer R, hitrost v in temperaturo T. Konstante so: gravitacijska konstanta κ, Boltzmannova konstanta kB in masa protona mp. Te zveze so le približne, velikokrat se tudi vodeče številske faktorje (npr. 3/5 ali 1/2) v celoti zanemari.

Galaksije in kozmologija (virialna masa in polmer)

V astronomiji se masa galaksij (ali splošna pregostota) velikokrat definira s pojmom »virialnega polmera« ali »virialne mase«. Ker so lahko galaksije in pregostote v zveznih tekočinah zelo razširjene (celo do neskončnosti v nekaterih modelih, npr. izotermalna sfera), je težko določiti specifične, končne mere za njihovo maso in velikost. Virialni izrek in sorodni pojmi omogočajo velikokrat primerne načine za določitev teh značilnosti.

V galaktični dinamiki je masa galaksije velikokrat določena z merjenjem vrtilne hitrosti njenega plina in zvezd, pri čemer se predpostavijo krožne keplerske tirnice. S pomočjo virialnega izreka se lahko uporabi disperzijska hitrost σ na podoben način. Če se vzame kinetična energija (na delec) sistema kot T=(1/2)v2(3/2)σ2 in potencialna energija (na delec) kot U ~ (3/5)(κm/R), se lahko zapiše:

κmRσ2,

kjer je R polmer na katerem se meri disperzija hitrosti, m pa je masa znotraj tega polmera. Virialna masa in polmer sta v splošnem določena za polmer pri katerem je disperzija hitrosti največja, oziroma:

κmvirRvirσmax2.

Ker se je naredilo več približkov se poleg približne narave teh definicij velikokrat zanemarijo sorazmernostne konstante reda ali enote, kot v zgornjih enačbah. Te zveze so zato točne le v smislu reda velikosti ali, če se rabijo dosledno zase.

Alternativna definicija virialne mase in polmera se večkrat rabi v kozmologiji pri obravnavanju polmera sfere, ki zaobjema galaksijo ali jato galaksij, in znotraj katere velja virialno ravnovesje. Ker je polmer težko določiti z opazovanji, se velikokrat vzame približek polmera znotraj katerega je povprečna gostota večja za določen faktor od kritične gostote ρkrit=3H28πκ, kjer je H Hubblov parameter. Običajna (čeprav večinoma poljubna) izbira za faktor je 200, za katerega je virialni polmer približno enak rvirr200=r(ρ=200ρkrit). Virialna masa je potem določena kot mvirm200=(4/3)πr2003200ρkrit.

Glej tudi

Sklici

Predloga:Sklici

Viri

Predloga:Refbegin

Predloga:Refend

Nadaljnje branje

Zunanje povezave

Predloga:Fizikalna škrbina