У тепловій рівновазі розподіл швидкості частинок відповідає розподілу Максвелла-Больцмана, статистичному закону, який визначається температурою та масою частинок і описує розподіл кількості частинок із різними швидкостями в ідеальному газі.
Макроскопічно система знаходиться в стабільному рівномірно нагрітому стані; однак на мікроскопічному рівні частинки постійно зазнають хаотичних теплових рухів. Хоча швидкість кожної окремої частинки постійно змінюється, загальний розподіл швидкостей великої кількості частинок демонструє високовпорядкований статистичний закон.
Вплив температури: зі збільшенням температури крива розподілу розширюється в бік високо-області швидкості, а середня кінетична енергія частинок зростає; і навпаки, він звужується та концентрується в-області низької швидкості.
Вплив маси: більші частинки (такі як молекули кисню) мають більш концентрований розподіл швидкості в області низьких-швидкостей, тоді як легші частинки (такі як молекули водню) з більшою ймовірністю досягають високих швидкостей.
Мікроскопічний механізм: детальна рівновага та динамічна стабільність
Стійкість розподілу швидкостей у тепловій рівновазі випливає з принципу детальної рівноваги:
Імовірність того, що кожна частинка набере певної швидкості в результаті зіткнення, дорівнює ймовірності того, що вона втратить цю швидкість в результаті зіткнення; Макроскопічно немає спрямованого потоку швидкості чи енергії, і система досягає динамічної рівноваги.
Це також означає, що хоча швидкості окремих частинок постійно змінюються, загальний розподіл залишається постійним, як річка-вода постійно тече вперед, але форма поверхні річки залишається незмінною.
Експериментальна перевірка та застосування
Експеримент Міллера-Куша (1955) успішно підтвердив закон розподілу швидкостей Максвелла, вимірявши товщину осадження молекул пари вісмуту в різних місцях за допомогою високо-вакуумної технології.
Цей розподіл широко використовується в газовій динаміці, теорії швидкості хімічних реакцій, фізиці плазми та астрофізиці, слугуючи мостом, що з’єднує мікроскопічний рух і макроскопічні явища.
