在高中物理中,我们可以用牛二很好的解决物体的动力学问题,即知道物体的受力以及初始速度与位置,我们可以算出这个物体在今后每一个时刻的速度和位置。但是当时没有教过,也没有想过,如果现在我要面对的不是一个物体,也不是两个物体,而是数亿个粒子,这个时候怎么去描述这些粒子的运动?理论上还可以用牛二一个个算,当然没有个几万岁是算不完的。好在基于统计力学,我们现在有玻尔兹曼输运方程提供了一个近似的解法。
玻尔兹曼输运理论最基本的一个量叫做分布函数。事实上,对于非平衡态,我们只要知道分子的分布函数 [公式] ,我们几乎就可以知道所有的感兴趣的宏观量。分布函数的定义为:[公式] 代表着时刻 [公式] ,处于位置 [公式] 到 [公式] ,速度处于 [公式] 到 [公式] 之间的粒子数目。知道了分布函数,我们就可以方便的算出一些宏观量比如密度,粘性系数,热导率。
事实上,对于我们感兴趣的任意一个宏观量,我们都可以基于分布函数求其宏观期望值。假设 [公式] 表示了时刻 [公式] ,当分子处于位置 [公式] 附近以及速度 [公式] 附近时候的一个性质,这个性质可以是能量,或者动量,那么我们希望知道这个量在空间上的分布,我们只需要求均值即可,
表示分子在空间某处的粒子数。
相比于牛二,我们对系统的描述不再是通过一个一个物体,而是通过分布函数来描述。这样就压缩了很多信息了。