Кинетика физическая

КИНЕТИКА ФИЗИЧЕСКАЯ, раздел физики, в котором на микроскопическом уровне изучается изменение во времени макроскопического состояния неравновесных физических систем. В кинетике физической, как и в равновесной статистической физике, вместо каждой отдельной частицы рассматриваются функции распределения частиц по каким-либо параметрам - энергии, скорости и др.

Кинетика  физическая включает в себя кинетическую теорию газов, термодинамику неравновесных процессов, статистическую теорию неравновесных процессов в плазме, теорию переноса явлений в твёрдых телах и жидкостях, кинетику магнитных процессов и теорию кинетических явлений, связанных с прохождением быстрых частиц через вещество. К ней относят также теорию процессов переноса в квантовых жидкостях и сверхпроводниках и кинетику фазовых переходов.

Функция распределения всех частиц в замкнутой системе удовлетворяет Лиувилля уравнению и содержит полную информацию о физической системе, однако получить его решение в общем случае невозможно вследствие огромного числа частиц. Для описания макроскопических свойств системы достаточно знать средние значения основных физических величин, которые могут быть получены с помощью одночастичной (f₁), двухчастичной (f₂) и т.д. функций распределения. Последовательность функций f₁ , f₂,  f₃, . . . , зависящих, соответственно, от параметров одной, двух, трёх и т.д. частиц в многочастичной системе, определяется последовательностью зацепляющихся уравнений - так называемой цепочкой уравнений, общий метод получения которых был разработан Н. Н. Боголюбовым (Боголюбова цепочка уравнений), М. Борном, Г. Грином и др. Одночастичную функцию распределения в газе малой плотности определяет кинетическое уравнение Больцмана.

Общее свойство всех кинетических процессов в замкнутой системе (при отсутствии внешних источников возмущения) - их направленность к восстановлению термодинамического равновесия в системе. Эволюция функции распределения продолжается до тех пор, пока усреднённая по статистическому ансамблю скорость каждого элементарного перехода в прямом и обратном направлениях (например, изменение колебательной энергии молекулы, энергии электронного состояния, движение вакансий в кристаллической решётке, вылет молекулы с поверхности жидкости в газ при испарении и обратный переход при конденсации, ионизация атома электронным ударом и электронно-ионная рекомбинация) не станет одинаковой. Согласно детального равновесия принципу это означает, что в системе установилось термодинамическое равновесие. При этом функция распределения становится равновесной (смотри Максвелла распределение, Больцмана распределение). Если же на систему действуют внешние силы, то функция распределения изменяется в зависимости от их интенсивности и воздействия на определённые элементарные процессы.

Теоретической аппарат кинетики физической позволяет дать микроскопическое обоснование феноменологическим линейным уравнениям термодинамики необратимых процессов и вычислить времена релаксации в так называемых релаксационных уравнениях, выражающих скорость установления равновесных значений каких-либо макроскопических параметров системы в зависимости от степени отклонения от равновесия; матрицы (тензоры) кинетических коэффициентов в линейных уравнениях, связывающих потоки энергии, массы компонентов, импульса и т. п. с термодинамическими силами, вызывающими эти потоки. Одним из точных соотношений в кинетике физической является связь линейного отклика системы на внешнее возмущение с флуктуациями в этой системе.

В газах, если длина свободного пробега частиц много меньше размеров областей неоднородности, т. е. когда Кнудсена число достаточно мало, справедлив гидродинамический подход. В этом случае при известных значениях коэффициентов переноса и других параметров задачи гидродинамики, включая теплообмен и диффузию, решают на основе макроскопического подхода. Однако в разреженных газах, когда число Кнудсена около 0,1 или больше, становится необходимым микроскопический подход кинетики физической. Примеры - задачи аэродинамики и теплообмена при движении ЛА или метеорита в атмосфере на высотах более 100 км (смотри также Динамика разреженных газов).

Плазма, в отличие от газа нейтральных частиц, никогда не бывает однокомпонентной. В простейшем случае она состоит из ионов одного сорта и электронов. При этом рассматриваются две функции распределения - для ионов f_i и для электронов f_e. Кулоновское взаимодействие заряженных частиц, медленно убывающее с расстоянием между частицами, в плазме всегда имеет коллективный характер. Роль передатчика взаимодействия играют электрическое и магнитное поля, создаваемые заряженными частицами и их движением. Все неравновесные явления в плазме описываются связанной системой кинетических уравнений и уравнений Максвелла (смотри Кинетические уравнения для плазмы).

Теория явлений переноса в плотных газах и жидкостях значительно сложнее, так как движение каждой молекулы при этом происходит в силовом поле, зависящем от положения и скоростей нескольких окружающих молекул. Соответственно, состояние вещества уже не описывается одночастичной функцией распределения, и нужно учитывать функции распределения более высокого порядка. С помощью приближённых способов решения системы зацепляющихся уравнений можно ограничиться несколькими первыми звеньями цепочки, уточнить кинетическое уравнение и исследовать явления переноса для газов средней плотности.

В твёрдых телах основой микроскопической теории явлений переноса служит приближение малых амплитуд колебаний кристаллической решётки. Теплопроводность диэлектриков вычисляют, применяя кинетическое уравнение Больцмана к фононам решётки (уравнение Пайерлса). При парных столкновениях один фонон распадается на два или два фонона сливаются в один. Кинетика  физическая металлов основана на решении кинетического уравнения для электронов, взаимодействующих с колебаниями кристаллической решётки. Кинетика  физическая объясняет электрическое сопротивление, термоэлектрические, гальваномагнитные и термомагнитные явления, скин-эффект, циклотронный резонанс в ВЧ-полях, особенности поведения сверхпроводников в таких полях и другие кинетические эффекты в металлах. Кинетика  физических магнитных явлений основана на решении кинетического уравнения Больцмана для магнонов и позволяет вычислять динамическую магнитную восприимчивость в переменных полях, а также изучать кинетику процессов намагничивания. В применении к фазовым переходам 1-го рода методами кинетики физической с использованием Фоккера - Планка уравнения изучается распределение зародышей новой фазы в процессе их роста. Для квантовых систем вместо классической функции распределения используется оператор - матрица плотности.

Если физическая система состоит из двух или нескольких подсистем, термодинамическое равновесие между которыми устанавливается медленно по сравнению с равновесием внутри каждой подсистемы, то можно считать, что процесс установления равновесия между ними происходит на фоне их внутреннего равновесия. Примерами таких подсистем являются подсистемы внутримолекулярных колебаний, подсистемы электронов и ионов в газах и плазме, подсистемы спинов электронов и ядер в твёрдом теле, различные области в системе с пространственной неоднородностью температуры или состава. Процесс перехода к общему термодинамическому равновесию может быть описан уравнениями кинетики физической, обобщёнными на неупругие столкновения и пространственную неоднородность системы. Однако внутреннее равновесие подсистем позволяет существенно упростить проблему и свести её к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений кинетики химической и электронно-ионных реакций, теплопроводности, диффузии и др.

Кинетика  физическая и кинетика химическая различны по объектам изучения и подходам, однако существует много важных задач, рассматриваемых на стыке этих разделов. Так, при достаточно высоких температурах быстрые химические реакции нарушают равновесие в подсистемах электронных и колебательных степеней свободы молекул в газе, и это, в свою очередь, влияет на скорость химических реакций (смотри Неравновесная химическая кинетика).

Развитие быстродействующих ЭВМ с большим объёмом памяти позволяет применять в кинетике физической для исследования неравновесных процессов численные методы математического моделирования, основанные на решении уравнений движения для многочастичных систем, - молекулярной динамики метод или Монте-Карло метод.

Лит.: Боголюбов Н. Н. Проблемы динамической теории в статистической физике. М.; Л., 1946; Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М., 1960; Зубарев Д. Н. Неравновесная статистическая термодинамика. М., 1971; Силин В. П. Введение в кинетическую теорию газов. М., 1971; Климонтович Ю. Л. Кинетическая теория неидеального газа и неидеальной плазмы. М., 1975; Балеску Р. Равновесная и неравновесная статистическая механика. 2-е изд. М., 1978. Т. 2; Базаров И. П., Геворкян Э. В., Николаев П. Н. Неравновесная термодинамика и физическая кинетика. М., 1989; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Физическая кинетика. М., 2007.