声子stefan-boltzmann系数

声子stefan-bolzamann系数

黑体边界

给定温度边界,声子半球辐射热流为: E(T)=p2π0dϕπ/20cosθsinθdθωm0ωD(ω)4πf0(T)vgdω=p14ωm0vgωD(ω)f0(T)dω=p14ωm0vgωk22π2vg1exp(ω/kBT1)dω

引入两个近似

  • 灰体近似:假设声子的性质和频率无关
  • 线性色散:假设声子的群速度为常数,这就是Debye模型中的近似,此时声子相速度和群速度相等

在这两个近似下,辐射热流可以写成: E(T)=p14ωm0vgωk22π2vg1exp(ω/kBT1)dω=38π2v2gωm0ω3exp(ω/kBT1)dω

y=ω/kBT
于是 E(T)=38π2v2gωm0ω3exp(ω/kBT1)dω=3(kBT)48π2v2g3ωmkBT0y3exp(y)1dy=T43k4B8π2v2g3ωmkBT0y3exp(y)1dy=σT4其中σ=3k4B8π2v2g3ωmkBT0y3exp(y)1dy
在小温差近似下,可以认为整个求解域内的σ保持不变。

关于比热容

在小温差近似下,有 ωD(ω)(f0(T)f0(Tref))C(ω)(TTref)

同时,在数学上,有 TTref4T3ref(TTref)
于是

q+xqref=2π0dϕπ/20cosθsinθdθωm0ωD(ω)4π(f0ω(Th)f0ω(Tref))vg dω2π0dϕπ/20cosθsinθdθωm0C(ω)(ThTref)4πvg dω=14ωm0C(ω)(ThTref)vg dω

灰体近似下,考虑相当于参考温度的情况,有 q+xqref14ωm0C(ω)(ThTref)vg dω=14C(ThTref)vg=σ(T4hT4ref)4σT3ref(TTref)
于是得到了σ和比热容的关系: Cvg16T3ref=σ

关于内部声子散射

当地散射功率密度和局域温度的关系为: dQe/dV=ωD04lweω(T)dω=4σT4/lave

这个推导有点复杂..需要借助辐射传递方程,还有一些平均自由程取法的问题,下一篇里再系统整理一下罢. stefan-boltzmann系数的形式是声子蒙特卡洛统计的基础,再下一篇再整理一下..