8. Распределения Максвелла и Больцмана

В трех одинаковых сосудах при равных условиях находится одинаковое количество водорода, гелия и азота На рисунке представлены графики функций распределения молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла), где  – доля молекул, скорости которых заключены в интервале скоростей от  до  в расчете на единицу этого интервала. Для этих функций верными являются утверждения, что …

			кривая 1 соответствует распределению по скоростям молекул азота
			кривая 3 соответствует распределению по скоростям молекул водорода
			кривая 1 соответствует распределению по скоростям молекул гелия
			кривая 2 соответствует распределению по скоростям молекул азота

Решение: Функция Максвелла имеет вид . Полная вероятность равна:, то есть площадь, ограниченная кривой распределения Максвелла, равна единице и при изменении температуры  не изменяется. Из формулы наиболее вероятной скорости , при которой функция  максимальна, следует, что при повышении температуры максимум функции сместится вправо, следовательно, высота максимума уменьшится. Если сравнивать распределения Максвелла по скоростям различных газов при одной и той же температуре, то при увеличении массы молекулы газа максимум функции сместится влево, следовательно, высота максимума увеличится. Наибольшая масса молекул у азота, меньше у гелия и еще меньше у водорода.

4. На рисунке представлены графики функции распределения молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла), где  – доля молекул, скорости которых заключены в интервале скоростей от  до  в расчете на единицу этого интервала. Для этих функций верным является утверждение, что

	распределение 1 соответствует газу, имеющему большую массу молекул
	распределение 3 соответствует газу, имеющему большую температуру
	распределение 1 соответствует газу, имеющему меньшую массу молекул
	распределение 3 соответствует газу, имеющему меньшую температуру

Решение: Функция Максвелла имеет вид: . Полная вероятность равна: , то есть площадь, ограниченная кривой распределения Максвелла, равна единице и при изменении температуры  не изменяется. Из формулы наиболее вероятной скорости , при которой функция  максимальна, следует, что при повышении температуры максимум функции сместится вправо, следовательно, высота максимума уменьшится. Если сравнивать распределения Максвелла по скоростям различных газов при одной и той же температуре, то при увеличении массы молекулы газа максимум функции сместится влево, следовательно, высота максимума увеличится

5. На рисунке представлен график функции распределения молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла), где  – доля молекул, скорости которых заключены в интервале скоростей от  до  в расчете на единицу этого интервала. Для этой функции неверным является утверждение, что

	при понижении температуры величина максимума функции уменьшается
	при понижении температуры площадь под кривой уменьшается
	с ростом температуры наиболее вероятная скорость молекул увеличивается
	положение максимума кривой зависит не только от температуры, но и от природы газа

Решение: Полная вероятность равна:, то есть площадь, ограниченная кривой распределения Максвелла, равна единице и при изменении температуры  не изменяется. Из формулы наиболее вероятной скорости , при которой функция  максимальна, следует, что при повышении температуры максимум функции сместится вправо, следовательно, высота максимума уменьшится.

6. На рисунке представлены графики функций распределения молекул идеального газа  во внешнем однородном поле силы тяжести от высоты  для двух разных температур –   (распределение Больцмана). Для этих функций верным является утверждение, что

	температура  выше температуры
	концентрация молекул газа на «нулевом уровне»  с повышением температуры уменьшается
	температура  ниже температуры
	концентрация молекул газа на «нулевом уровне»  с повышением температуры увеличивается

Решение: Зависимость концентрации молекул идеального газа от высоты  для некоторой температуры  определяется распределением Больцмана: , где  концентрация молекул на высоте , масса молекулы,  ускорение свободного падения,  постоянная Больцмана. Из формулы следует, что при постоянной температуре концентрация газа  больше там, где меньше потенциальная энергия его молекул , и уменьшается с высотой по экспоненциальному закону тем медленнее, чем больше температура: . С повышением температуры из-за увеличения энергии хаотического теплового движения молекулы более равномерно распределяются по высоте, и поэтому концентрация молекул газа на «нулевом уровне»  уменьшается, а на высоте  увеличивается.

7. Зависимости давления  идеального газа во внешнем однородном поле силы тяжести от высоты  для двух разных температур определяются барометрической формулой и представлены на рисунке. Для этих функций неверным является утверждение, что …

	температура  выше температуры
	давление газа на высоте  равно давлению на «нулевом уровне» , если температура газа стремится к абсолютному нулю
	температура  ниже температуры
	зависимость давления идеального газа от высоты определяется не только температурой газа, но и массой молекул

Решение: Зависимость давления идеального газа от высоты  для некоторой температуры  определяется барометрической формулой: , где давление на высоте  ,  масса молекулы,  ускорение свободного падения,  постоянная Больцмана. Из формулы следует, что при постоянной температуре давление газа уменьшается с высотой по экспоненциальному закону тем медленнее, чем больше температура . Давление  определяется весом всего газа и  не меняется при изменении температуры.