Virialsatz

Der Virialsatz (lat. vis, Kraft) ist eine Beziehung zwischen dem zeitlichen Mittel der kinetischen Energie $\overline{T}$ und dem zeitlichen Mittel der potentiellen Energie $\overline{ U }$ eines abgeschlossenen physikalischen Systems.

Inhaltsverzeichnis

1 Formulierung
2 Anwendungsbeispiel
3 Verallgemeinerung
4 Vorzeichen im Virialsatz
5 Literatur
6 Weblinks

Formulierung

Das Virial ist das Skalarprodukt des Impulses und des Ortes eines Systems aus N Teilchen, d.h. $V=\sum_{i=1}^N \vec p_i \cdot \vec r_i.$ Der Vektor $\vec r_i$ beschreibt den Ort, der Vektor $\vec p_i$ den Impuls des i-ten Teilchens. Ist das Virial beschränkt, so gilt die Beziehung:

$\overline T = -\frac 12 \sum_{i=1}^N \overline{\vec F_i \cdot \vec r_i}.$

Dabei ist $\vec F_i$ die Resultierende der auf das i-te Teilchen einwirkenden Kräfte, die von anderen Teilchen des Systems ausgeübt werden. Da ein abgeschlossenes System betrachtet wird, existieren keine äußeren Kräfte.

Ist die Kraft konservativ und besitzt ein Potenzial U, das homogen vom Grad k ist, d.h. für α > 0 gilt $U(\alpha \vec r_i)=\alpha^k U(\vec r_i)$ , so vereinfacht sich die obige Form auf

$\overline T = \frac k2\, \overline U.$

Befindet sich ein Vielteilchensystem im Gleichgewicht, so kann das System als ergodisch betrachtet werden, d.h. das Zeitmittel ist gleich dem Scharmittel für alle Beobachtungsgrößen. Da dies insbesondere für die kinetische und die potentielle Energie gilt und das Scharmittel der Energien einfach aus der Summe der Einzelenergien geteilt durch die Anzahl der Objekte N gebildet wird, lässt sich das Scharmittel durch die Gesamtenergien ausdrücken. Wir erhalten daher für Gleichgewichtssysteme:

$T = \frac k2\,U$

ohne Mittelung über die Zeit, denn die Werte sind zeitlich konstant.

Anwendungsbeispiel

Anwendung findet der Virialsatz beispielsweise in der Astrophysik und der Himmelsmechanik. Dort benutzt man das Newton'sche Gravitationspotenzial, das homogen vom Grad -1 ist. Es gilt dann

2 T = - U .

Der Virialsatz erlaubt es, recht gute Abschätzungen für die Gesamtmassen dynamisch gebundener Systeme wie Sternhaufen oder Galaxienhaufen zu finden. Die Gesamtmasse eines solchen Haufens kann dann vollständig durch Beobachtungsgrößen wie Radialgeschwindigkeiten, Winkelabstände und scheinbare Helligkeiten der Einzelobjekte ausgedrückt werden. Die einzige Voraussetzung für die Anwendung des Virialsatzes ist die Kenntnis des Abstandes des Haufens. Wir wollen das Vorgehen bei einer Massenbestimmung eines solchen Haufens hier skizzieren:

Die kinetische Gesamtenergie eines Stern- oder Galaxienhaufens ist durch

$T=\frac{1}{2}\sum_i m_i \| \vec{v}_i\|^2$

gegeben. Weder die Einzelmassen m_i noch die Geschwindigkeitsbeträge |v_i| sind jedoch Beobachtungsgrößen. Die Einführung der Gesamtmasse

M =	∑	m_i
	i

erlaubt die einfache Umformung

$T=\frac{M}{2}\sum_i \frac{m_i}{M} \|\vec{v}_i\|^2.$

Macht man nun die zwei Annahmen: a) die Einzelmassen m_i sind proportional zu den Einzelleuchtkräften l_i und daher gilt

$T=\frac{M}{2}\sum_i \frac{l_i}{L} \|\vec{v}_i\|^2=\frac{M}{2}\langle \| \vec{v}\|^2 \rangle_L,$

wobei der letzte Term das Leuchtkraft gewichtete Mittel über die Geschwindigkeiten bezeichnet.

b) Das System ist sphärisch symmetrisch und befindet sich im Gleichgewicht (man sagt auch es ist virialisiert). Daher sind die Geschwindigkeiten über die Raumrichtungen gleichverteilt (Gleichverteilungssatz). Es gilt dann

$\langle \| \vec{v}\|^2 \rangle_L=3 \langle v_{R}^2 \rangle_L,$

wobei v_R die radialen Pekuliargeschwindigkeiten bezeichnet, d.h. die Abweichungen der Radialgeschwindigkeit vom Haufenmittelwert. Damit erhält man:

$T=\frac{3 M}{2}\langle v_{R}^2 \rangle_L.$

Für die potentielle Gesamtenergie gilt unter der Bedingung der sphärischen Symmetrie

$U=- \frac{G M^2}{\alpha R},$

wobei R der Gesamtradius des System ist und der morphologische Faktor α von der radialen Verteilungsfunktion, also der Geometrie des Haufens abhängt. Für eine (allerdings unrealistische) Gleichverteilung innerhalb des Radius R ist beispielsweise α=5/3. Im Allgemeinen ist der Faktor aus den Winkelabständen der Einzelsysteme zum Haufenzentrum zu bestimmen.

Für die Gesamtmasse des Haufens erhalten wir somit die Formel:

$M=\frac{3 \alpha R}{G}\langle v_{R}^2 \rangle_L.$

Verallgemeinerung

Im Rahmen der Kontinuumsmechanik wird der tensorielle Virialsatz aus der stoßfreien Boltzmann-Gleichung und dem daraus abgleiteten Jeans-Kriterium bewiesen. Wenn als Wechselwirkung wiederum die Gravitation angenommen wird, hat der Satz die Form:

$\frac{1}{2}\frac{d^2}{dt^2} I_{ij}=2 T_{ij}+\Pi_{ij}+U_{ij},$

wobei $I i j$ der Trägheitstensor, $T i j$ der kinetische Energietensor, $Π i j$ der Spannungstensor und $U i j$ der potentielle Energietensor ist. Im statischen Fall fällt die Zeitableitung auf der linken Seite der Gleichung weg und die Spur der Gleichung ergibt wieder den skalaren Virialsatz, da der Spannungstensor spurfrei ist.

Vorzeichen im Virialsatz

Zum Virialsatz: Energieerwartungswerte als Funktion des Grades s der homogenen Potentialfunktion oder die Vorzeichen der kinetischen, potentiellen und Gesamtenergie, bei auf 1 normierter Gesamtenergie

$\langle E_\mathrm{kin} \rangle= \frac {s} {2}\;\langle U_\mathrm{pot}\rangle = \frac {s} {s+2}\; E$

für eine homogene Potentialfunktion vom Grad s und für den bekanntesten Fall $s = - 1$ (Gravitation, Coulomb)

$\langle E_\mathrm{kin}\rangle = -\;\frac {1} {2} \;\langle U_\mathrm{pot}\rangle = -\; E$

Die Vorzeichen:

$\langle E_\mathrm{kin}\rangle$ ist positiv definit

$\langle U_\mathrm{pot}\rangle^>_<\; 0\;$ für $s \;^>_<\; 0\$

und

E > 0

für

s > 0

oder

s < - 2

E < 0

für

- 2 < s < 0

Literatur

Lew Dawidowitsch Landau, Jewgeni Michailowitsch Lifschitz: Mechanik (Lehrbuch der theoretischen Physik; Bd. 1). Deutsch, Frankfurt/M. 2004, ISBN 3-8171-1326-9

Gibt eine einfache Herleitung des skalaren Virialsatzes.

James Binney, Scott Tremaine: Galactic Dynamics Princeton Series in Astrophysics. Princeton University Press, Princeton, N.J. 1988, ISBN 0-691-08445-9

Hier findet man die tensorielle Verallgemeinerung und Anwendungen.