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Ecuación de Boltzmann

En física, específicamente en física estadística fuera del equilibrio, la ecuación de Boltzmann describe el comportamiento estadístico de un sistema termodinámico fuera del equilibrio termodinámico. Esta ecuación fue deducida por Ludwig Boltzmann en 1872.[1]​ El ejemplo clásico es un fluido con gradientes de temperatura en el espacio, lo que provoca un flujo de calor de las regiones más calientes a las más frías, causado por el transporte (aleatorio, pero condicionado por las características del sistema) de partículas. En la literatura moderna el término Ecuación de Boltzmann se usa a menudo en un sentido más general y se refiere a cualquier ecuación cinética que describe el cambio o evolución de cantidades macroscópicas en un sistema termodinámico, tales como la energía, la carga o el número de partículas.

La ecuación no se deriva a partir del análisis estadístico de todas las posiciones y momentos individuales de cada partícula del fluido, si no a partir de la probabilidad de que un número de partículas ocupe una región muy pequeña del espacio (matemáticamente escrito , donde d significa "diferencial", un cambio muy pequeño) a la que se denota con un vector de posición r, y tengan un momento también muy definido dentro de una región muy pequeña del espacio de momentos (análogamente escrito como ) y también denotado por un vector de momento p, en un instante dado de tiempo.

La ecuación de Boltzmann puede ser usada para entender cómo evolucionan determinadas cantidades físicas, como la energía, la temperatura y el momento de un fluido, y otras propiedades características de fluidos como la viscosidad, la conductividad térmica, también la conductividad eléctrica (al estudiar transporte de cargas en un material como un gas) puede ser derivadas.[1]​ Véase también la ecuación de convección-difusión.

La ecuación es una ecuación diferencial estocástica en derivadas parciales, pues la función desconocida en la ecuación es una variable aleatoria continua. El problema de existencia y unicidad de soluciones no está todavía plenamente resuelto, pero algunos de los resultados recientes son bastante prometedores.[2][3]

Visión general

El espacio de fases y función de densidad

Al conjunto de todas las posibles posiciones r y momentos p se denomina espacio de fases del sistema; en otras palabras, un conjunto de tres coordenadas para cada coordenada de posición x, y, z y tres más para cada componente de momento px, py, pz. El espacio entero es 6-dimensional: un punto en este espacio es (r, p) = (x, y, z, px, py, pz), y cada coordenada está parametrizada por el tiempo t. El volumen pequeño ("elemento de volumen diferencial") se define como

 

La probabilidad de que N partículas se encuentren dentro del elemento de volumen diferencial dado arriba y centrado en la posición r y en el momento p, es una cantidad que denotamos como f y nos da esta probabilidad por unidad del volumen del espacio de fases a cada instante de tiempo t. Esta función es una función de densidad de la probabilidad :  , y se define de modo que,

 

es el número de partículas que se encuentran dentro del elemento de volumen   centrado en r y que tienen un momento que se encuentra dentro del elemento de volumen   centrado en p, en un instante de tiempo t dado.[4]Integrando sobre todas las posibles posiciones y todos los posibles momentos se obtiene el número total de partículas del problema estudiado:

 

esta es una integral múltiple en 6 variables. f está asociado al número de partículas del problema, pero el espacio de fases es el espacio de fases de una partícula (no el de todas las partículas, lo que es normalmente el caso en sistemas deterministas de muchos cuerpos), como sólo se trabaja con un r y p, en este tipo de análisis se obvia el uso de índices, así no tiene sentido definir   para partícula 1,   para partícula 2, etc. hasta   para la partícula N.

Aquí se ha asumido que las partículas del sistema son todas idénticas (todas tienen por ejemplo la misma masa m). Para estudiar una mezcla de más de una especie química, hay que definir una distribución de probabilidad f para cada especie química, como se explica más abajo.

Resultado principal

La ecuación general puede ser escrita:[5]

 

donde el término de "force" (fuerza en inglés) corresponde a las fuerzas ejercidas sobre las partículas por una influencia externa (no por las partículas, por ejemplo, por un campo gravitatorio externo), el término "diff" (abreviatura de diffussion, difusión en inglés) representa la difusión de partículas, y "coll" (abreviatura de collission, colisión en inglés) es el término de colisiones, que tiene en cuenta las fuerzas que actúan entre las partículas en colisiones. Las fórmulas para cada uno de los términos aquí descritos están dadas más abajo.[5]

Nótese que algunos autores utilizan la velocidad de la partícula v en lugar del momento p, pero estas cantidades están relacionadas en la definición del momento como  .

Los términos de fuerza y difusión

Considérese que las partículas descritas por f experimentan una fuerza externa F cuyo origen no son el resto de partículas (véase el término de colisión para este último caso).

Supóngase que a un tiempo t, un número   de partículas se encuentran en la posición   dentro del elemento   y tienen un momento   dentro de  . Si una fuerza   actúa en ese instante sobre cada partícula, entonces a un tiempo   su posición será   y su momento  . Por tanto, en la ausencia de colisiones, f tiene que satisfacer

 

Nótese que hemos usado el hecho que el elemento de volumen del espacio de fases   es constante, lo que se puede demostrar usando las ecuaciones de Hamilton (véase la discusión del teorema de Liouville). Sin embargo, como es un hecho que hay colisiones entre las partículas, estas provocarán que la densidad de partículas en el elemento de volumen del espacio cambie, así que

 

donde   Es el cambio total en  . Dividiendo dicha ecuación por   y tomando los límites   y  , tenemos

 

El diferencial total de f es:

 

Dónde   es el operador gradiente, y · es el producto escalar,

 

Es una abreviatura para el equivalente en variables de momento de ∇, y êx, êy, êz son los vectores unidad cartesianos.

Resultado final

Dividiendo   por   y sustituyendo la derivada total en la ecuación general, se obtiene:

 

En este contexto, F(r, t) es el campo de fuerza que actúa sobre las partículas del fluido, y m es la masa de las partículas. El término del lado derecho se añade para describir el efecto de las colisiones entre las partículas Si es igual a cero, entonces las partículas no colisionan. La ecuación de Boltzmann sin colisiones a veces se la denomina ecuación de Vlasov.

Esta ecuación es más útil que la más general escrita arriba, pero aun así es una ecuación incompleta, pues f no puede ser resuelto en tanto no conozcamos el término de colisiones. Este término no es tan fácil de deducir como los otros, es un término estadístico que representa las colisiones de partículas, y requiere que conozcamos qué distribución estadística obedecen las partículas: Maxwell–Boltzmann (si son partículas clásicas), Fermi–Dirac (fermiones) o Bose–Einstein (bosones).

El término de colisión (Stosszahlansatz) y la hipótesis de caos molecular

Una idea clave aplicada por Boltzmann para determinar el término de colisión que resulta sólo de colisiones de dos cuerpos fue asumir que las partículas estaban descorrelacionadas antes de la colisión. Boltzmann denominó a esta hipótesis "Stosszahlansatz", o "hipótesis de caos molecular". Asumiendo esta hipótesis, el término de colisión puede escribirse como una integral en el espacio de momentos sobre el producto de funciones de distribución de una partícula:[1]

 

donde pA y pB son los momentos de cualesquiera dos partículas (denotadas como A y B por comodidad) antes de la colisión, p′A y p′B son los momentos después de la colisión,

 

es la magnitud de los momentos relativos (véase velocidad relativa), y I(g, Ω) es la sección eficaz diferencial de la colisión, en la cual el momento relativo de las partículas colisionantes es función de un ángulo θ al elemento del ángulo sólido dΩ, debido a la colisión.

Ecuación general (para una mezcla)

Para una mezcla de varias especies químicas etiquetadas por índices i = 1,2,3...,n la ecuación para la especie i es:[1]

 

donde fi = fi(r, pi, t), y el término de colisión es

 

donde f′ = f′(p′i, t), la magnitud de los momentos relativos es

 

Y Iij es la sección eficaz diferencial, entre las partículas i y j. La integración es sobre los componentes de momento en el integrando (los cuales están etiquetados como i y j). La suma de las integrales describe la entrada y la salida de partículas de la especie i dentro o fuera del elemento espacial de fase.

Aplicaciones y extensiones

Ecuaciones de conservación

La ecuación de Boltzmann puede usarse para derivar las ecuaciones de la dinámica de fluidos. En partículas, las ecuaciones de evolución de la masa, carga, momento y energía de un fluido dado.[6]:p 163. Para un fluido constituido por un solo tipo de partícula, la densidad (de número de partículas) n está dada por:

 

El valor medio de cualquier función A es:

 

Como en las ecuaciones de conservación aparecen tensores se usará el convenio  de sumación de Einstein, cuando aparezcan índices repetidos en un producto, esto significa que hay que sumar sobre el índice repetido. Así   y   dónde   es el vector de velocidad de la partícula.   es una función del momento   sólo, el cual está conservado en colisiones (se asume que las colisiones entre partículas son elásticas). Se supone también que la fuerza   es una función de la posición únicamente, y que f es cero para  . Multiplicando la ecuación de Boltzmann por g e integrando sobre el momento se obtienen cuatro términos los cuales, al integrar por partes, se pueden escribir como:

 
 
 
 

donde que el último término sea cero significa que g se conserva al colisionar las partículas. Si definimos   como la masa de la partícula, la ecuación de Boltzmann integrada es igual a la ecuación de conservación de la masa[6]:pp 12,168

 

dónde   es la densidad de masa y   es la velocidad media del fluido,

Definiendo   como el momento de la partícula, la ecuación de Boltzmann integrada da lugar a la ecuación de conservación del momento[6]:pp 15,169

 

dónde   es el tensor de presiones. (El tensor de tensiones viscoso más la presión hidrostática.)

Definiendo   como la energía cinética de la partícula, la ecuación de Boltzmann integrada da lugar a la ecuación de conservación de la energía[6]:pp 19,169

 

dónde   es la densidad de energía cinética y térmica y   es el vector de flujo de calor.

Mecánica hamiltoniana

En mecánica hamiltoniana, la ecuación de Boltzmann se escribe a menudo de forma más general como

 

donde L es el operador de Liouville, que describe la evolución en el volumen del espacio de fases, y C es el operador de colisión. La forma no relativista de L es

 

Mecánica cuántica y no conservación del número de partículas

Es posible escribir la ecuación de Boltzmann relativista para sistemas cuánticos relativistas en los cuales el número de partículas no se conserva en las colisiones. Esto tiene aplicaciones en cosmología física, incluyendo la formación de los elementos ligeros en nucleosíntesis de Big Bang, la producción de materia oscura y la baryogenesis.[7]​ No es a priori evidente que el estado de un sistema cuántico pueda ser caracterizado por una densidad clásica f. Aun así, para una gran cantidad de aplicaciones, existe una generalización bien definida de f que es la solución de una ecuación efectiva de Boltzmann que puede ser derivada a partir de primeros principios de teoría cuántica de campos.[8]

Relatividad general y Astronomía

La ecuación de Boltzmann también se usa en dinámica, especialmente en dinámica galáctica. Una galaxia, bajo ciertas condiciones, puede aproximarse por un fluido continuo, su distribución de masa se representa por f; en galaxias, las colisiones entre estrellas son muy raras, y el efecto de colisiones gravitacionales puede ser despreciado para tiempos mayores que la edad del universo.

La generalización a relatividad general es

 

dónde Γαβγ es el símbolo de Christoffel de segundo tipo (aquí se supone hay no fuerzas externas, de modo que las partículas se mueven sobre geodésicas en ausencia de colisiones), con la sutileza importante de que la densidad es ahora una función en variables contravariante  y covariante (xi, pi), en oposición con la naturaleza completamente contravariante (xi, pi) del espacio de fase.[9][10]

En cosmología física, el estudio de procesos en el universo temprano a menudo requiere tener en cuenta los efectos de la mecánica cuántica y la relatividad general.[7]​ En el medio muy denso formado por el plasma primordial formado después del Big Bang, las partículas son continuamente creadas y destruidas. En tal entorno, la coherencia cuántica y la extensión espacial de la función de ondas puede afectar a la dinámica, poniendo en cuestión que la distribución clásica en el espacio de fases f que aparece en la ecuación de Boltzmann sea la adecuada para describir al sistema. Sin embargo, en muchos casos es posible de derivar una ecuación de Boltzmann efectiva para una función de distribución generalizada a partir de primeros principios de teoría cuántica de campos.[8]​ Esto incluye la formación de los elementos ligeros en la nucleosíntesis del Big Bang, la producción de materia oscura y la baryogenesis.

Véase también

Notas

  1. Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), R.
  2. DiPerna, R. J.; Lions, P.-L. (1989). «On the Cauchy problem for Boltzmann equations: global existence and weak stability». Ann. Of Math. (2) 130 (2): 321-366. doi:10.2307/1971423. 
  3. Philip T. Gressman and Robert M. Strain (2010). «Global classical solutions of the Boltzmann equation with long-range interactions». Proceedings of the National Academy of Sciences 107 (13): 5744-5749. Bibcode:2010PNAS..107.5744G. arXiv:1002.3639. doi:10.1073/pnas.1001185107. 
  4. Huang, Kerson (1987). Statistical Mechanics (Second edición). New York: Wiley. p. 53. ISBN 0-471-81518-7. 
  5. McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), C.
  6. de Groot, S.R.; Mazur, P. (1984). Non-Equilibrium Thermodynamics. New York: Dover Publications Inc. ISBN 0-486-64741-2. 
  7. Edward Kolb and Michael Turner (1990). The Early Universe. Westview Press. ISBN 9780201626742. 
  8. M. Drewes, C. Weniger, S. Mendizabal (8 de enero de 2013). Phys. Lett. B 718 (3): 1119-1124. Bibcode:2013PhLB..718.1119D. arXiv:1202.1301. doi:10.1016/j.physletb.2012.11.046. 
  9. Debbasch, Fabrice; Willem van Leeuwen (2009). «General relativistic Boltzmann equation I: Covariant treatment». Physica A 388 (7): 1079-1104. Bibcode:2009PhyA..388.1079D. doi:10.1016/j.physa.2008.12.023. 
  10. Debbasch, Fabrice; Willem van Leeuwen (2009). «General relativistic Boltzmann equation II: Manifestly covariant treatment». Physica A 388 (9): 1818-34. Bibcode:2009PhyA..388.1818D. doi:10.1016/j.physa.2009.01.009. 

Referencias

  • Harris, Stewart (1971). An introduction to the theory of the Boltzmann equation. Dover Books. p. 221. ISBN 978-0-486-43831-3. .
  • Arkeryd, Leif (1972). «On the Boltzmann equation part I: Existence». Arch. Rational Mech. Anal. 45: 1-16. Bibcode:1972ArRMA..45....1A. doi:10.1007/BF00253392. 
  • Arkeryd, Leif (1972). «On the Boltzmann equation part II: The full initial value problem». Arch. Rational Mech. Anal. 45: 17-34. Bibcode:1972ArRMA..45...17A. doi:10.1007/BF00253393. 
  • DiPerna, R. J.; Lions, P.-L. (1989). «On the Cauchy problem for Boltzmann equations: global existence and weak stability». Ann. Of Math. (2) 130: 321-366. doi:10.2307/1971423. 

Enlaces externos

  • The Boltzmann Transport Equation by Franz Vesely
  •   Datos: Q891653

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En fisica especificamente en fisica estadistica fuera del equilibrio la ecuacion de Boltzmann describe el comportamiento estadistico de un sistema termodinamico fuera del equilibrio termodinamico Esta ecuacion fue deducida por Ludwig Boltzmann en 1872 1 El ejemplo clasico es un fluido con gradientes de temperatura en el espacio lo que provoca un flujo de calor de las regiones mas calientes a las mas frias causado por el transporte aleatorio pero condicionado por las caracteristicas del sistema de particulas En la literatura moderna el termino Ecuacion de Boltzmann se usa a menudo en un sentido mas general y se refiere a cualquier ecuacion cinetica que describe el cambio o evolucion de cantidades macroscopicas en un sistema termodinamico tales como la energia la carga o el numero de particulas La ecuacion no se deriva a partir del analisis estadistico de todas las posiciones y momentos individuales de cada particula del fluido si no a partir de la probabilidad de que un numero de particulas ocupe una region muy pequena del espacio matematicamente escrito d 3 r displaystyle d 3 mathbf r donde d significa diferencial un cambio muy pequeno a la que se denota con un vector de posicion r y tengan un momento tambien muy definido dentro de una region muy pequena del espacio de momentos analogamente escrito como d 3 p displaystyle d 3 mathbf p y tambien denotado por un vector de momento p en un instante dado de tiempo La ecuacion de Boltzmann puede ser usada para entender como evolucionan determinadas cantidades fisicas como la energia la temperatura y el momento de un fluido y otras propiedades caracteristicas de fluidos como la viscosidad la conductividad termica tambien la conductividad electrica al estudiar transporte de cargas en un material como un gas puede ser derivadas 1 Vease tambien la ecuacion de conveccion difusion La ecuacion es una ecuacion diferencial estocastica en derivadas parciales pues la funcion desconocida en la ecuacion es una variable aleatoria continua El problema de existencia y unicidad de soluciones no esta todavia plenamente resuelto pero algunos de los resultados recientes son bastante prometedores 2 3 Indice 1 Vision general 1 1 El espacio de fases y funcion de densidad 1 2 Resultado principal 2 Los terminos de fuerza y difusion 2 1 Resultado final 3 El termino de colision Stosszahlansatz y la hipotesis de caos molecular 4 Ecuacion general para una mezcla 5 Aplicaciones y extensiones 5 1 Ecuaciones de conservacion 5 2 Mecanica hamiltoniana 5 3 Mecanica cuantica y no conservacion del numero de particulas 5 4 Relatividad general y Astronomia 6 Vease tambien 7 Notas 8 Referencias 9 Enlaces externosVision general EditarEl espacio de fases y funcion de densidad Editar Al conjunto de todas las posibles posiciones r y momentos p se denomina espacio de fases del sistema en otras palabras un conjunto de tres coordenadas para cada coordenada de posicion x y z y tres mas para cada componente de momento px py pz El espacio entero es 6 dimensional un punto en este espacio es r p x y z px py pz y cada coordenada esta parametrizada por el tiempo t El volumen pequeno elemento de volumen diferencial se define como d 3 r d 3 p d x d y d z d p x d p y d p z displaystyle d 3 mathbf r d 3 mathbf p dx dy dz dp x dp y dp z La probabilidad de que N particulas se encuentren dentro del elemento de volumen diferencial dado arriba y centrado en la posicion r y en el momento p es una cantidad que denotamos como f y nos da esta probabilidad por unidad del volumen del espacio de fases a cada instante de tiempo t Esta funcion es una funcion de densidad de la probabilidad f r p t displaystyle f mathbf r mathbf p t y se define de modo que d N f r p t d 3 r d 3 p displaystyle dN f mathbf r mathbf p t d 3 mathbf r d 3 mathbf p es el numero de particulas que se encuentran dentro del elemento de volumen d 3 r displaystyle d 3 mathbf r centrado en r y que tienen un momento que se encuentra dentro del elemento de volumen d 3 p 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termino de colision Stosszahlansatz y la hipotesis de caos molecular EditarUna idea clave aplicada por Boltzmann para determinar el termino de colision que resulta solo de colisiones de dos cuerpos fue asumir que las particulas estaban descorrelacionadas antes de la colision Boltzmann denomino a esta hipotesis Stosszahlansatz o hipotesis de caos molecular Asumiendo esta hipotesis el termino de colision puede escribirse como una integral en el espacio de momentos sobre el producto de funciones de distribucion de una particula 1 f t c o l l g I g W f p A t f p B t f p A t f p B t d W d 3 p A d 3 p B displaystyle left frac partial f partial t right mathrm coll iint gI g Omega f mathbf p A t f mathbf p B t f mathbf p A t f mathbf p B t d Omega d 3 mathbf p A d 3 mathbf p B donde pA y pB son los momentos de cualesquiera dos particulas denotadas como A y B por comodidad antes de la colision p A y p B son los momentos despues de la colision g p B p A p B p A displaystyle g mathbf p B mathbf p A mathbf p B mathbf p A es la magnitud de los momentos relativos vease velocidad relativa y I g W es la seccion eficaz diferencial de la colision en la cual el momento relativo de las particulas colisionantes es funcion de un angulo 8 al elemento del angulo solido dW debido a la colision Ecuacion general para una mezcla EditarPara una mezcla de varias especies quimicas etiquetadas por indices i 1 2 3 n la ecuacion para la especie i es 1 f i t p i m i f i F f i p i f i t c o l l displaystyle frac partial f i partial t frac mathbf p i m i cdot nabla f i mathbf F cdot frac partial f i partial mathbf p i left frac partial f i partial t right mathrm coll donde fi fi r pi t y el termino de colision es f i t c o l l j 1 n g i j I i j g i j W f i f j f i f j d W d 3 p displaystyle left frac partial f i partial t right mathrm coll sum j 1 n iint g ij I ij g ij Omega f i f j f i f j d Omega d 3 mathbf p donde f f p i t la magnitud de los momentos relativos es g i j p i p j p i p j displaystyle g ij mathbf p i mathbf p j mathbf p i mathbf p j Y Iij es la seccion eficaz diferencial entre las particulas i y j La integracion es sobre los componentes de momento en el integrando los cuales estan etiquetados como i y j La suma de las integrales describe la entrada y la salida de particulas de la especie i dentro o fuera del elemento espacial de fase Aplicaciones y extensiones EditarEcuaciones de conservacion Editar La ecuacion de Boltzmann puede usarse para derivar las ecuaciones de la dinamica de fluidos En particulas las ecuaciones de evolucion de la masa carga momento y energia de un fluido dado 6 p 163 Para un fluido constituido por un solo tipo de particula la densidad de numero de particulas n esta dada por n f d 3 p displaystyle n int f d 3 p El valor medio de cualquier funcion A es A 1 n A f d 3 p displaystyle langle A rangle frac 1 n int Af d 3 p Como en las ecuaciones de conservacion aparecen tensores se usara el convenio de sumacion de Einstein cuando aparezcan indices repetidos en un producto esto significa que hay que sumar sobre el indice repetido Asi x x i displaystyle mathbf x rightarrow x i y p p i m w i displaystyle mathbf p rightarrow p i mw i donde w i displaystyle w i es el vector de velocidad de la particula g p i displaystyle g p i es una funcion del momento p i displaystyle p i solo el cual esta conservado en colisiones se asume que las colisiones entre particulas son elasticas Se supone tambien que la fuerza F i displaystyle F i es una funcion de la posicion unicamente y que f es cero para p i displaystyle p i rightarrow pm infty Multiplicando la ecuacion de Boltzmann por g e integrando sobre el momento se obtienen cuatro terminos los cuales al integrar por partes se pueden escribir como g f t d 3 p t n g displaystyle int g frac partial f partial t d 3 p frac partial partial t n langle g rangle p j g m f x j d 3 p 1 m x j n g p j displaystyle int frac p j g m frac partial f partial x j d 3 p frac 1 m frac partial partial x j n langle gp j rangle g F j f p j d 3 p n F j g p j displaystyle int gF j frac partial f partial p j d 3 p nF j left langle frac partial g partial p j right rangle g f t c o l l d 3 p 0 displaystyle int g left frac partial f partial t right mathrm coll d 3 p 0 donde que el ultimo termino sea cero significa que g se conserva al colisionar las particulas Si definimos g m displaystyle g m como la masa de la particula la ecuacion de Boltzmann integrada es igual a la ecuacion de conservacion de la masa 6 pp 12 168 t r x j r V j 0 displaystyle frac partial partial t rho frac partial partial x j rho V j 0 donde r m n displaystyle rho mn es la densidad de masa y V i w i displaystyle V i langle w i rangle es la velocidad media del fluido Definiendo g m w i displaystyle g mw i como el momento de la particula la ecuacion de Boltzmann integrada da lugar a la ecuacion de conservacion del momento 6 pp 15 169 t r V i x j r V i V j P i j n F i 0 displaystyle frac partial partial t rho V i frac partial partial x j rho V i V j P ij nF i 0 donde P i j r w i V i w j V j displaystyle P ij rho langle w i V i w j V j rangle es el tensor de presiones El tensor de tensiones viscoso mas la presion hidrostatica Definiendo g 1 2 m w i w i displaystyle g tfrac 1 2 mw i w i como la energia cinetica de la particula la ecuacion de Boltzmann integrada da lugar a la ecuacion de conservacion de la energia 6 pp 19 169 t u 1 2 r V i V i x j u V j 1 2 r V i V i V j J q j P i j V i n F i V i 0 displaystyle frac partial partial t u tfrac 1 2 rho V i V i frac partial partial x j uV j tfrac 1 2 rho V i V i V j J qj P ij V i nF i V i 0 donde u 1 2 r w i V i w i V i displaystyle u tfrac 1 2 rho langle w i V i w i V i rangle es la densidad de energia cinetica y termica y J q i 1 2 r w i V i w k V k w k V k displaystyle J qi tfrac 1 2 rho langle w i V i w k V k w k V k rangle es el vector de flujo de calor Mecanica hamiltoniana Editar En mecanica hamiltoniana la ecuacion de Boltzmann se escribe a menudo de forma mas general como L f C f displaystyle hat mathbf L f mathbf C f donde L es el operador de Liouville que describe la evolucion en el volumen del espacio de fases y C es el operador de colision La forma no relativista de L es L N R t p m F p displaystyle hat mathbf L mathrm NR frac partial partial t frac mathbf p m cdot nabla mathbf F cdot frac partial partial mathbf p Mecanica cuantica y no conservacion del numero de particulas Editar Es posible escribir la ecuacion de Boltzmann relativista para sistemas cuanticos relativistas en los cuales el numero de particulas no se conserva en las colisiones Esto tiene aplicaciones en cosmologia fisica incluyendo la formacion de los elementos ligeros en nucleosintesis de Big Bang la produccion de materia oscura y la baryogenesis 7 No es a priori evidente que el estado de un sistema cuantico pueda ser caracterizado por una densidad clasica f Aun asi para una gran cantidad de aplicaciones existe una generalizacion bien definida de f que es la solucion de una ecuacion efectiva de Boltzmann que puede ser derivada a partir de primeros principios de teoria cuantica de campos 8 Relatividad general y Astronomia Editar La ecuacion de Boltzmann tambien se usa en dinamica especialmente en dinamica galactica Una galaxia bajo ciertas condiciones puede aproximarse por un fluido continuo su distribucion de masa se representa por f en galaxias las colisiones entre estrellas son muy raras y el efecto de colisiones gravitacionales puede ser despreciado para tiempos mayores que la edad del universo La generalizacion a relatividad general es L G R p a x a G a b g p b p g p a displaystyle hat mathbf L mathrm GR p alpha frac partial partial x alpha Gamma alpha beta gamma p beta p gamma frac partial partial p alpha donde Gabg es el simbolo de Christoffel de segundo tipo aqui se supone hay no fuerzas externas de modo que las particulas se mueven sobre geodesicas en ausencia de colisiones con la sutileza importante de que la densidad es ahora una funcion en variables contravariante y covariante xi pi en oposicion con la naturaleza completamente contravariante xi pi del espacio de fase 9 10 En cosmologia fisica el estudio de procesos en el universo temprano a menudo requiere tener en cuenta los efectos de la mecanica cuantica y la relatividad general 7 En el medio muy denso formado por el plasma primordial formado despues del Big Bang las particulas son continuamente creadas y destruidas En tal entorno la coherencia cuantica y la extension espacial de la funcion de ondas puede afectar a la dinamica poniendo en cuestion que la distribucion clasica en el espacio de fases f que aparece en la ecuacion de Boltzmann sea la adecuada para describir al sistema Sin embargo en muchos casos es posible de derivar una ecuacion de Boltzmann efectiva para una funcion de distribucion generalizada a partir de primeros principios de teoria cuantica de campos 8 Esto incluye la formacion de los elementos ligeros en la nucleosintesis del Big Bang la produccion de materia oscura y la baryogenesis Vease tambien EditarEcuacion de Vlasov Ecuacion BGK Ecuacion de Boltzmann linealizada Ecuacion de transporte del neutron Ecuacion de transporte del foton Teorema H Ecuacion de Fokker Planck Ecuaciones de Navier Stokes Ecuacion de Vlasov PoissonNotas Editar a b c d Encyclopaedia of Physics 2nd Edition R DiPerna R J Lions P L 1989 On the Cauchy problem for Boltzmann equations global existence and weak stability Ann Of Math 2 130 2 321 366 doi 10 2307 1971423 Philip T Gressman and Robert M Strain 2010 Global classical solutions of the Boltzmann equation with long range interactions Proceedings of the National Academy of Sciences 107 13 5744 5749 Bibcode 2010PNAS 107 5744G arXiv 1002 3639 doi 10 1073 pnas 1001185107 Huang Kerson 1987 Statistical Mechanics Second edicion New York Wiley p 53 ISBN 0 471 81518 7 a b McGraw Hill Encyclopaedia of Physics 2nd Edition C a b c d de Groot S R Mazur P 1984 Non Equilibrium Thermodynamics New York Dover Publications Inc ISBN 0 486 64741 2 a b Edward Kolb and Michael Turner 1990 The Early Universe Westview Press ISBN 9780201626742 a b M Drewes C Weniger S Mendizabal 8 de enero de 2013 Phys Lett B 718 3 1119 1124 Bibcode 2013PhLB 718 1119D arXiv 1202 1301 doi 10 1016 j physletb 2012 11 046 Debbasch Fabrice Willem van Leeuwen 2009 General relativistic Boltzmann equation I Covariant treatment Physica A 388 7 1079 1104 Bibcode 2009PhyA 388 1079D doi 10 1016 j physa 2008 12 023 Debbasch Fabrice Willem van Leeuwen 2009 General relativistic Boltzmann equation II Manifestly covariant treatment Physica A 388 9 1818 34 Bibcode 2009PhyA 388 1818D doi 10 1016 j physa 2009 01 009 Referencias EditarHarris Stewart 1971 An introduction to the theory of the Boltzmann equation Dover Books p 221 ISBN 978 0 486 43831 3 Arkeryd Leif 1972 On the Boltzmann equation part I Existence Arch Rational Mech Anal 45 1 16 Bibcode 1972ArRMA 45 1A doi 10 1007 BF00253392 Arkeryd Leif 1972 On the Boltzmann equation part II The full initial value problem Arch Rational Mech Anal 45 17 34 Bibcode 1972ArRMA 45 17A doi 10 1007 BF00253393 DiPerna R J Lions P L 1989 On the Cauchy problem for Boltzmann equations global existence and weak stability Ann Of Math 2 130 321 366 doi 10 2307 1971423 Enlaces externos EditarThe Boltzmann Transport Equation by Franz Vesely Boltzmann gaseous behaviors solved Datos Q891653 Obtenido de https es wikipedia org w index php title Ecuacion de Boltzmann amp oldid 129991137, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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, española, descargar, gratis, descargar gratis, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, imagen, música, canción, película, libro, juego, juegos