В состоянии теплового равновесия распределение частиц по скоростям следует распределению Максвелла-Больцмана — статистическому закону, определяемому температурой и массой частиц и описывающему распределение числа частиц с разными скоростями в идеальном газе.
Макроскопически система находится в устойчивом, равномерно нагретом состоянии; однако на микроскопическом уровне частицы постоянно испытывают случайное тепловое движение. Хотя скорость каждой отдельной частицы постоянно меняется, общее распределение скоростей большого числа частиц демонстрирует высокоупорядоченный статистический закон.
Влияние температуры. По мере повышения температуры кривая распределения расширяется в сторону области высоких-скоростей, а средняя кинетическая энергия частиц увеличивается; и наоборот, он сужается и концентрируется в области низких-скоростей.
Влияние массы. Более крупные частицы (например, молекулы кислорода) имеют более концентрированное распределение скоростей в области низких-скоростей, тогда как более легкие частицы (например, молекулы водорода) с большей вероятностью достигают высоких скоростей.
Микроскопический механизм: детальное равновесие и динамическая стабильность
Устойчивость распределения скоростей при тепловом равновесии вытекает из принципа детального равновесия:
Вероятность того, что каждая частица приобретет определенную скорость в результате столкновения, равна вероятности того, что она потеряет эту скорость в результате столкновения; Макроскопически нет направленного потока скорости или энергии, и система достигает динамического равновесия.
Это также означает, что хотя скорости отдельных частиц постоянно меняются, общее распределение остается постоянным, как в реке-вода течет вперед непрерывно, но форма поверхности реки остается неизменной.
Экспериментальная проверка и применение
Эксперимент Миллера-Куша (1955) успешно подтвердил закон распределения скоростей Максвелла путем измерения толщины осаждения молекул паров висмута в различных местах с использованием технологии высокого-вакуума.
Это распределение широко используется в газовой динамике, теории скорости химических реакций, физике плазмы и астрофизике, служа мостом, соединяющим микроскопическое движение и макроскопические явления.
