📂열물리학

기체분자의 속도와 속력의 기대값

공식¹

기체분자의 속도를 $\mathbf{v} = (v_{x}, v_{y}, v_{z})$, 속력을 $v = | \mathbf{v} |$라고 하자. 기체분자 속도와 속력에 관한 기댓값은 다음과 같다.

$$ \begin{align*} \left\langle v_{x} \right\rangle &= 0 \\ \left\langle |v_{x}| \right\rangle &= \sqrt{\dfrac{2 k_{B} T}{\pi m}} \\ \left\langle v_{x} ^{2} \right\rangle &= \dfrac{k_{B} T}{\pi m} \\ \left\langle v \right\rangle &= \sqrt{\dfrac{8 k_{B} T}{\pi m}} \\ \left\langle v^{2} \right\rangle &= \dfrac{3 k_{B} T}{\pi m} \end{align*} $$

설명

증명에서 다음과 같은 일반화된 가우스 적분 공식이 쓰인다.

$$ \begin{equation} \int_{-\infty}^{\infty} xe^{-\alpha x^{2}}dx = 0 \end{equation} $$

$$ \begin{equation} \int_{0}^{\infty} x e^{-\alpha x^{2}}dx = \dfrac{1}{2 \alpha} \end{equation} $$

$$ \begin{equation} \int_{-\infty}^{\infty} x^{2} e^{-\alpha x^{2}}dx = \dfrac{1}{2}\sqrt{\dfrac{\pi}{\alpha^{3}}} \end{equation} $$

$$ \begin{equation} \int_{0}^{\infty} x^{3} e^{-\alpha x^{2}}dx = \dfrac{1}{2 \alpha^{2}} \end{equation} $$

증명

기댓값

변수가 $x$, $x$의 확률밀도함수가 $f(x)$일 때 $x$의 기댓값은 다음과 같다.

$$ \left\langle x \right\rangle = \int x f(x) dx $$

기댓값의 정의로부터 직접 계산한다.

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속도의 확률 밀도 함수는 다음과 같다.

$$ g(v_{x}) = \sqrt{ {m} \over {2 \pi k_{B} T } } e^{ - m v_{x}^2 / 2 k_{B} T} $$

기댓값의 정의와 가우스 적분 공식 $(1)-(4)$로부터 쉽게 계산할 수 있다.

$$ \left\langle v_{x} \right\rangle = \int v_{x} g(v_{x})dy_{x} = \sqrt{ \dfrac{m}{2 \pi k_{B} T}} \int_{-\infty}^{\infty} v_{x} e^{ - m v_{x}^2 / 2 k_{B} T}dv_{x} = 0 $$

$$ \begin{align*} \left\langle \left| v_{x} \right| \right\rangle =&\ \int_{-\infty}^{\infty} \left| v_{x} \right| g(v_{x})dy_{x} \\ =&\ \sqrt{ \dfrac{m}{2 \pi k_{B} T}} \int_{-\infty}^{\infty} \left| v_{x} \right| e^{ - m v_{x}^2 / 2 k_{B} T}dv_{x} \\ =&\ 2\sqrt{ \dfrac{m}{2 \pi k_{B} T}}\int_{0}^{\infty} v_{x} e^{ - m v_{x}^2 / 2 k_{B} T}dv_{x} \\ =&\ \sqrt{ \dfrac{m}{2 \pi k_{B} T}} \dfrac{2 k_{B} T}{m} \\ =&\ \sqrt{\dfrac{2 k_{B} T}{\pi m}} \end{align*} $$

$$ \begin{align*} \left\langle v_{x}^{2} \right\rangle =&\ \int_{-\infty}^{\infty} v_{x}^{2} g(v_{x})dy_{x} \\ =&\ \sqrt{ \dfrac{m}{2 \pi k_{B} T}} \int_{-\infty}^{\infty} v_{x}^{2} e^{ - m v_{x}^2 / 2 k_{B} T}dv_{x} \\ =&\ \sqrt{ \dfrac{m}{2 \pi k_{B} T}} \dfrac{\sqrt{\pi}}{2} \left( \sqrt{\dfrac{2 k_{B} T}{m}} \right)^{3} \\ =&\ \dfrac{k_{B} T}{m} \end{align*} $$

속력의 확률 밀도 함수는 맥스웰 분포를 따른다.

$$ f(v) = \dfrac{4}{\sqrt{\pi}} \left( \dfrac{m}{2 k_{B} T} \right)^{3/2} v^{2} e^{-m v^{2} /2 k_{B} T} $$

따라서 기댓값은 다음과 같이 계산된다.

$$ \begin{align*} \left\langle v \right\rangle =&\ \int_{0}^{\infty} v f(v) dv \\ =&\ \int_{0}^{\infty} \dfrac{4}{\sqrt{\pi}} \left( \dfrac{m}{2 k_{B} T} \right)^{3/2} v^{3} e^{-m v^{2} /2 k_{B} T} dv \\ =&\ \dfrac{4}{\sqrt{\pi}} \left( \dfrac{m}{2 k_{B} T} \right)^{3/2} \int_{0}^{\infty} v^{3} e^{-m v^{2} /2 k_{B} T} dv \\ =&\ \dfrac{4}{\sqrt{\pi}} \left( \dfrac{m}{2 k_{B} T} \right)^{3/2} \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{2 k_{B} T}{m} \right)^{2} \\ =&\ \dfrac{4}{\sqrt{\pi}} \sqrt{\dfrac{m}{2 k_{B} T} } \left( \dfrac{m}{2 k_{B} T} \right) \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{2 k_{B} T}{m} \right)^{2} \\ =&\ \sqrt{\dfrac{1}{\pi} \dfrac{2^{8}}{2^{5}} \dfrac{m^{3}}{m^{4}} \dfrac{k_{B}^{4}}{k_{B}^{3}} \dfrac{T^{4}}{T^{3}} } \\ =&\ \sqrt{\dfrac{2^{3} k_{B} T}{\pi m }} \\ =&\ \sqrt{\dfrac{8 k_{B} T}{\pi m }} \end{align*} $$

기댓값은 선형이므로, 속력의 제곱의 기댓값은 다음과 같다.

$$ \left\langle v^{2} \right\rangle = \left\langle v_{x}^{2} \right\rangle + \left\langle v_{y}^{2} \right\rangle + \left\langle v_{z}^{2} \right\rangle = \dfrac{k_{B} T}{\pi m} + \dfrac{k_{B} T}{\pi m} + \dfrac{k_{B} T}{\pi m} = \dfrac{3k_{B} T}{\pi m} $$

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