<< 1. Ideal'nyi gaz s | Oglavlenie | 3. Uravnenie sostoyaniya pri ... >>
2. Relyativistskii gaz s uchetom vyrozhdeniya
V central'nyh oblastyah zvezd, nahodyashihsya na pozdnih stadiyah evolyucii, a takzhe pri vzryvah sverhnovyh kineticheskaya energiya elektronov mozhet stat' poryadka ih energii pokoya, t.e. skorosti ih priblizhayutsya k skorosti sveta:
(2.1) |
Pri vychislenii termodinamicheskih funkcii neobhodimo togda ispol'zovat' polnye relyativistskie vyrazheniya dlya energii i impul'sa elektronov. S drugoi storony, plotnosti mogut vyrasti nastol'ko, chto srednee chislo chastic v yacheike fazovogo prostranstva priblizhaetsya k edinice. Pri etom neobhodimo uchityvat' princip Pauli dlya elektronov (spin = 1/2), chislo kotoryh v yacheike fazovogo prostranstva ravno libo nulyu, libo edinice. Srednee chislo elektronov s energiei v yacheike zadaetsya funkciei Fermi [145]
(2.2) |
gde - himicheskii potencial elektronov,
(2.3) |
Termodinamicheskie funkcii nahodyatsya s pomosh'yu integralov po impul'snomu prostranstvu (s uchetom statisticheskogo vesa ) [145]:
(2.4) |
(2.5) |
(2.6) |
(2.7) |
Posle preobrazovaniya integralov i vvedeniya bezrazmernyh velichin
(2.8) |
poluchim
(2.9) |
gde
(2.10) |
Kogda , v termodinamicheskom ravnovesii neobhodimo uchityvat' pozitrony. Annigilyaciya pary privodit k rozhdeniyu fotonov, himicheskii potencial kotoryh v ravnovesii raven nulyu, . Iz usloviya ravnovesiya annigilyacii sleduet ravenstvo
(2.11) |
Termodinamicheskie funkcii dlya pozitronov poluchayutsya iz (2.9), gde sleduet zamenit' na i ispol'zovat' integraly , , , , poluchaemye iz v (2.10) zamenoi na . Nuklony i yadra chasto mozhno schitat' nevyrozhdennymi i nerelyativistskimi, poetomu dlya nih, vmeste s izlucheniem, imeem
(2.12) |
(2.13) |
(2.14) |
Zdes' rassmotreno polnost'yu ionizovannoe veshestvo. Esli yadernye reakcii ne idut i vesovye doli elementov neizmenny (), to analogichno (1.18) imeem
(2.15) |
V (2.12)-(2.15) ispol'zovana velichina
(2.16) |
(2.17) |
Vyrazhenie (2.17) s uchetom (2.9), (2.10) sluzhit dlya nahozhdeniya zavisimosti . Dlya sluchaya polnoi ionizacii pri , imeem iz (1.6), (2.16) i (2.17)
(2.18) |
V dannom paragrafe otschet energii vedetsya ot energii pokoya yader, kotoraya v otsutstvii yadernyh prevrashenii ostaetsya neizmennoi.
Rassmotrim predel'nye sluchai formul (2.9).
a) Sil'noe vyrozhdenie. Pri nulevoi temperature elektrony zapolnyayut fazovoe prostranstvo vplot' do granichnogo impul'sa Fermi . Plotnost' elektronov ravna udvoennomu (za schet statisticheskogo vesa) chislu yacheek v sfericheskoi oblasti fazovogo prostranstva radiusom :
(2.19) |
S uchetom (2.17) poluchaem v otsutstvie pozitronov
(2.20) |
Kineticheskaya energiya elektrona na granice fazovoi oblasti nazyvaetsya energiei Fermi:
(2.21) |
Uchtya, chto pri i pri , poluchaem iz (2.5), (2.6)
(2.22) |
(2.23) |
Temperaturnye popravki pri sil'nom vyrozhdenii nahodyatsya iz razlozheniya obshih formul s pomosh'yu sootnosheniya [145]
(2.24) |
(2.25) |
(2.26) |
(2.27) |
(2.28) |
Zdes' , parametr razlozheniya , a funkcii posle svedeniya integralov (2.10) k vidu (2.24) ravny , , . Naidem yavnuyu zavisimost' , i ot i , ostavlyaya tol'ko chleny ~. Ispol'zuya opredelenie iz (2.20), (2.21) i sootnoshenie (2.25), poluchaem svyaz' mezhdu , i :
(2.29) |
Uchtya malost' , poluchim
Posle podstanovki v (2.23), (2.25)-(2.28) imeem
i yavnye vyrazheniya termodinamicheskih funkcii
(2.30) |
V predel'nyh sluchayah funkcii i ravny
(2.31) |
Uchtya (2.31), v nerelyativistskom predele poluchaem iz (2.30)
(2.32) |
V ul'trarelyativistskom predele sootvetstvenno imeem
(2.33) |
b) Ochen' malaya plotnost' veshestva. Plotnost' veshestva mozhet byt' nastol'ko maloi, chto koncentraciya par prevysit koncentraciyu ishodnyh elektronov. V etom sluchae malym parametrom yavlyaetsya velichina ; pri imeet mesto . Razlagaya (2.10) v ryad po , poluchim, ispol'zuya integrirovanie po chastyam,
(2.34) |
(2.35) |
Pri integraly (2.35) vyrazhayutsya [145] cherez -funkciyu
i -funkciyu Rimana s pomosh'yu sootnosheniya
(2.36) |
Uchityvaya dlya celyh znacheniya iz [145]
i
, poluchaem
(2.37) |
S uchetom (2.34)-(2.37) i opredeleniya v (2.29), termodinamicheskie
funkcii s uchetom (2.9), (2.17) primut vid
(2.38) |
(2.39) |
V sluchae ul'trarelyativistskih par dlya (2.39) imeyut
mesto asimptoticheskie predstavleniya [166]
(2.40) |
Iz (2.38)-(2.40) poluchaem termodinamicheskie funkcii vblizi ul'trarelyativistskih
par v gaze maloi plotnosti
(2.41) |
V nerelyativistskom predele , ostavlyaya dva chlena
pri razlozhenii znamenatelya v (2.35), imeem [93]
(2.42) |
(2.43) |
V tabl. 3 privedeny znacheniya funkcii , dlya , poluchennye chislennym integrirovaniem v [167].
v) Slaboe vyrozhdenie.
Slaboe vyrozhdenie sootvetstvuet v (2.2). Togda v
integralah (2.10) mozhno provesti razlozhenie v ryad, vospol'zovavshis'
bol'shim znacheniem eksponenty v znamenatele. Ostavlyaya dva pervyh chlena
razlozheniya, poluchaem [218, 166, 363, 93]
(2.44) |
0.00 | 1.0000 | 1.0000 | 1.0000 | 1.0000 | 1.0000 | 1.0000 |
0.50 | 9.4989 (-1) | 9.5476 (-1) | 9.6299 (-1) | 9.8119 (-1) | 9.8342 (-1) | 9.8702 (-1) |
1.00 | 8.2749 (-1) | 8.4020 (-1) | 8.6278 (-1) | 9.2303 (-1) | 9.3130 (-1) | 9.4529 (-1) |
1.50 | 6.7622 (-1) | 6.9345 (-1) | 7.2532 (-1) | 8.3028 (-1) | 8.4519 (-1) | 8.7168 (-1) |
2.00 | 5.2709 (-1) | 5.4480 (-1) | 5.7846 (-1) | 7.1580 (-1) | 7.3497 (-1) | 7.7039 (-1) |
2.50 | 3.9653 (-1) | 4.1217 (-1) | 4.4246 (-1) | 5.9438 (-1) | 6.1464 (-1) | 6.5311 (-1) |
3.00 | 2.9030 (-1) | 3.0290 (-1) | 3.2762 (-1) | 4.7800 (-1) | 4.9689 (-1) | 5.3345 (-1) |
3.50 | 2.0806 (-1) | 2.1764 (-1) | 2.3656 (-1) | 3.7418 (-1) | 3.9040 (-1) | 4.2216 (-1) |
4.00 | 1.4664 (-1) | 1.5360 (-1) | 1.6748 (-1) | 2.8635 (-1) | 2.9949 (-1) | 3.2544 (-1) |
4.50 | 1.0189 (-1) | 1.0685 (-1) | 1.1675 (-1) | 2.1497 (-1) | 2.2520 (-1) | 2.4549 (-1) |
5.00 | 7.0003 (-2) | 7.3461 (-2) | 8.0361 (-2) | 1.5877 (-1) | 1.6650(-1) | 1.8188 (-1) |
5.50 | 4.7634 (-2) | 5.0006 (-2) | 5.4746 (-2) | 1.1563 (-1) | 1.2133 (-1) | 1.3271 (-1) |
6.00 | 3.2147 (-2) | 3.3756 (-2) | 3.6973 (-2) | 8.3190 (-2) | 8.7329 (-2) | 9.5597 (-2) |
7.00 | 1.4345 (-2) | 1.5066 (-2) | 1.6510 (-2) | 4.1752 (-2) | 4.3848 (-2) | 4.8039 (-2) |
8.00 | 6.2613 (-3) | 6.5769 (-3) | 7.2085 (-3) | 2.0259 (-2) | 2.1280 (-2) | 2.3321 (-2) |
9.00 | 2.6856 (-3) | 2.8211 (-3) | 3.0922 (-3) | 9.5667 (-3) | 1.0049 (-2) | 1.1014 (-2) |
10.0 | 1.1356 (-3) | 1.1929 (-3) | 1.3076 (-3) | 4.4175 (-3) | 4.6404 (-3) | 5.0864 (-3) |
V dannoi i posleduyushih tablicah v skobkah ukazan poryadok velichiny |
Iz (2.17) imeem s nuzhnoi tochnost'yu, uchtya (2.44) i velichinu
iz (2.29),2
(2.45) |
Pri vyvode (2.45) ispol'zovalas' malost' chlenov, soderzhashih , kotorye uchityvayut slaboe vyrozhdenie. S pomosh'yu (2.44), (2.45) poluchaem iz (2.9)
(2.46) |
Formuly (2.46) spravedlivy dlya slabo vyrozhdennogo gaza proizvol'noi plotnosti, v tom chisle ochen' maloi, kogda chislo rozhdayushihsya par mnogo bol'she ishodnogo chisla elektronov i . Neobhodimo takzhe, chtoby gaz ne byl relyativistskim, tak kak pri rozhdayushiesya pary zapolnyayut fazovoe prostranstvo dazhe pri ochen' maloi plotnosti. Takim obrazom, dlya primenimosti (2.46) trebuetsya vypolnenie usloviya , kogda spravedlivo razlozhenie (2.43)3.
Pri iz (2.46) i (2.43), ostavlyaya dva chlena razlozheniya
po , poluchaem termodinamicheskie funkcii ideal'nogo
gaza s popravkami na vyrozhdenie, relyativizm i rozhdenie par (sm. takzhe
[166])
(2.47) |
Velichina v (2.47) vklyuchaet energiyu pokoya rozhdayushihsya par i ih kineticheskuyu energiyu bez relyativistskih popravok, a v - uchteny relyativistskie popravki k davleniyu par. V predele ochen' maloi plotnosti , ostavlyaya dva chlena razlozheniya po , iz (2.46) poluchayutsya formuly, sovpadayushie s nerelyativistskim predelom formul (2.38) pri uchete (2.42).
g) Nerelyativistskii gaz. V etom sluchae
i vkladom pozitronov mozhno prenebrech'. Formuly (2.9) i (2.10) pri
etom svodyatsya k vidu
(2.48) |
(2.49) |
V nerelyativistskom predele kineticheskaya energiya elektronov otdelyaetsya ot energii pokoya.
Esli
, to i vyrozhdenie
nesushestvenno. V etom predele poluchaem
(2.50) |
Pervye chleny v integralah (2.50) privodyat k termodinamicheskim funkciyam
obychnogo gaza (sm. 1). S uchetom popravok iz pervogo sootnosheniya
(2.48) i (2.49) imeem
chto privodit k termodinamicheskim funkciyam, sleduyushim iz (2.47), esli v nih prenebrech' popravkami na relyativizm () i rozhdenie par ( ). V predele sil'no vyrozhdennogo gaza dlya vychisleniya integralov Fermi (2.49) vospol'zuemsya formuloi (2.24). Ostavlyaya dva pervyh chlena razlozheniya, poluchaem
(2.51) |
Opredelyaya iz pervogo sootnosheniya (2.48)
(2.52) |
d) Ul'trarelyativistskii gaz. Kogda kineticheskaya energiya elektronov mnogo bol'she ih energii pokoya, velichinoi v integralah (2.10) mozhno prenebrech', chto, s uchetom opredeleniya (2.49) pozvolit zapisat' ih v vide
(2.53) |
V ul'trarelyativistskom ravnovesnom gaze vsegda imeet mesto i vyrozhdenie ne mozhet byt' malym vvidu intensivnogo rozhdeniya par.
Integraly Fermi celogo indeksa obladayut svoistvami, pozvolyayushimi vyrazit' termodinamicheskie funkcii ul'trarelyativistskogo gaza v vide polinomov po i [166]. Iz (2.49) legko pokazat', chto4
(2.54) |
(2.55) |
V itoge poluchaem znacheniya termodinamicheskih funkcii dlya - par v vide
(2.56) |
V predele sil'nogo vyrozhdeniya
vklad pozitronov
prenebrezhimo mal, i iz pervogo sootnosheniya (2.56) i (2.29) imeem
Eto privodit k termodinamicheskim funkciyam (2.33) bez chlenov ,
zadayushih otkloneniya ot ul'trarelyativizma. V ul'trarelyativistskom gaze
maloi plotnosti pri
imeem
chto privodit k termodinamicheskim funkciyam, sleduyushim iz (2.41) bez ucheta otklonenii ot ul'trarelyativizma . Iz (2.56) sleduet, chto vdol' adiabaty ul'trarelyativistskogo gaza vypolnyayutsya sootnosheniya , . Iz poluchennyh vyshe yavnyh vyrazhenii ter modinamicheskih funkcii v zavisimosti ot i legko, s pomosh'yu (1.11)-(1.17), naiti yavnye vyrazheniya dlya adiabaticheskih pokazatelei i teploemkostei vo vseh predel'nyh sluchayah. Oblasti primenimosti asimptoticheskih formul s tochnost'yu 1% izobrazheny na ris. 2. Nekotorye asimptoticheskie formuly s bol'shim chislom chlenov razlozheniya dany v rabote [166], rasschitannye po nim tablicy i interpolyacionnye koefficienty privedeny v [167], sm. takzhe [67a].
Ris. 2.
Oblasti primenimosti priblizhennyh asimptoticheskih formul
na ploskosti , : A) levee linii ayb primenimo priblizhenie vyrozhdennogo gaza s popravkami (2.30), B) pravee linii czd - priblizhenie maloi plotnosti (2.38), C) vnutri oblasti oefg - priblizhenie pochti nevyrozhdennogo pochti nerelyativistskogo gaza (2.46), D) ohlm - oblast' primenimosti priblizheniya nerelyativistskogo gaza (2.48), E) pravee i vyshe lomanoi npr primenimo priblizhenie ul'trarelyativistskogo gaza (2.56). V sleduyushih oblastyah primenimy razlichnye priblizheniya: 1) nqby - priblizheniya A i E, 2) pravee lomanoi rzd - priblizheniya V i E, 3) cxg - priblizheniya V i S, 4) oetlm - priblizheniya S i D, 5) ahs - priblizheniya A i D. Zashtrihovana oblast', gde neobhodim chislennyi raschet integralov, vhodyashih v termodinamicheskie funkcii, naprimer, metodom Gaussa |
Korni i koefficienty | |||||
0.26356 | 0.61703 | 1.0311 | 1.4906 | 1.9859 | |
1.4134 | 2.1130 | 2.8372 | 3.5813 | 4.3417 | |
3.5964 | 4.6108 | 5.6203 | 6.6270 | 7.6320 | |
7.0858 | 8.3991 | 9.6829 | 10.944 | 12.188 | |
12.641 | 14.260 | 15.828 | 17.357 | 18.852 | |
0.52176 | 0.34801 | 0.52092 | 1.2510 | 4.1856 | |
0.39867 | 0.50228 | 1.0667 | 3.2386 | 12.877 | |
0.075942 | 0.14092 | 0.38355 | 1.3902 | 6.3260 | |
3.6118(-3) | 8.7199(-3) | 0.028564 | 0.11904 | 0.60475 | |
2.3370 (-5) | 6.8973 (-5) | 2.6271 (-4) | 1.2328(-3) | 6.8976 (-3) |
e) Analiz obshego sluchaya. Pri otsutstvii malyh parametrov
dlya rascheta termodinamicheskih funkcii nuzhno vychislyat' integraly (2.10)
chislenno. Ves'ma effektivnym yavlyaetsya metod, analogichnyi metodu Gaussa
[137], i ispol'zovannyi dlya etih celei v rabote [46]. Podyntegral'nye
vyrazheniya v (2.10) predstavlyayutsya v vide
, gde
funkciya ogranichena na lyubom konechnom intervale i horosho
approksimiruetsya kakim-nibud' polinomom stepeni na
intervale pri dostatochno bol'shom . Vychisleniya
provodyatsya po sleduyushei kvadraturnoi formule:
(2.57) |
Formula (2.57) yavlyaetsya tochnoi, esli - polinom stepeni . Eto sleduet iz usloviya ortogonal'nosti polinomov Lagerra na promezhutke s vesom . Znachenie mozhno ispol'zovat' pri vychislenii i dlya i iz (2.10). Znacheniya i dlya pyatitochechnoi shemy (i = 5) privedeny v tablice 4 [29] dlya .
Vyrazheniya dlya adiabaticheskogo pokazatelya i teploemkostei
v obshem sluchae pri postoyannom yadernom sostave polucheny v [46]
(2.58) |
(2.59) |
Bezrazmernyi himicheskii potencial vdol' izentropy udovletvoryaet
uravneniyu
(2.60) |
Ris. 3. Zavisimost' pokazatelya adiabaty ot temperatury dlya chistogo zheleza vdol' izentrop, postroennyh na ris. 6 |
Ris. 4. Zavisimost' teploemkosti pri postoyannom ob'eme ot temperatury dlya chistogo zheleza vdol' izentrop, postroennyh na ris. 6 |
Ris. 5. Zavisimost' teploemkosti pri postoyannom ob'eme ot temperatury dlya chistogo zheleza vdol' izentrop, postroennyh na ris. 6 |
Zadacha. Naiti relyativistskie popravki k adiabaticheskomu pokazatelyu v ideal'nom gaze.
Otvet. . Pri etom ispol'zovany formuly (1.11), (2.13), (2.15), (2.18) i (2.47), gde opusheny popravki na vyrozhdenie i rozhdenie par i .
<< 1. Ideal'nyi gaz s | Oglavlenie | 3. Uravnenie sostoyaniya pri ... >>
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Evolyuciya zvezd - fizicheskie processy
Publikacii so slovami: Evolyuciya zvezd - fizicheskie processy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |