Постоянная Больцмана

Значение постоянной	Размерность
1,380 6488(13)·10−23	Дж·К−1
1,380 6488(13)·10−16	эрг·К−1
8,617 3324(78)·10−5	эВ·К−1

Постоя́нная Бо́льцмана ($k$ или $k_{\rm B}$) — физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией. Названа в честь австрийского физика Людвига Больцмана, сделавшего большой вклад в статистическую физику, в которой эта постоянная играет ключевую роль. Её экспериментальное значение в Международной системе единиц (СИ) равно:

$k=1{,}380\,648\,8(13)\times 10^{-23}$ Дж/К.

Числа в круглых скобках указывают стандартную погрешность в последних цифрах значения величины. Постоянная Больцмана может быть получена из определения абсолютной температуры и других физических постоянных. Однако вычисление постоянной Больцмана с помощью основных принципов слишком сложно и невыполнимо при современном уровне знаний. В естественной системе единиц Планка естественная единица температуры задаётся так, что постоянная Больцмана равна единице.

Универсальная газовая постоянная определяется как произведение постоянной Больцмана на число Авогадро, $R=kN_\mathrm{A}$. Газовая постоянная более удобна, когда число частиц задано в молях.

Связь между температурой и энергией

В однородном идеальном газе, находящемся при абсолютной температуре $T$, энергия, приходящаяся на каждую поступательную степень свободы, равна, как следует из распределения Максвелла, $kT/2$. При комнатной температуре (300 К) эта энергия составляет $2{,}07\times 10^{-21}$ Дж, или 0,013 эВ. В одноатомном идеальном газе каждый атом обладает тремя степенями свободы, соответствующими трём пространственным осям, что означает, что на каждый атом приходится энергия в $\frac 3 2 kT$.

Зная тепловую энергию, можно вычислить среднеквадратичную скорость атомов, которая обратно пропорциональна квадратному корню атомной массы. Среднеквадратичная скорость при комнатной температуре изменяется от 1370 м/с для гелия до 240 м/с для ксенона. В случае молекулярного газа ситуация усложняется, например, двухатомный газ имеет приблизительно пять степеней свободы.

Определение энтропии

Энтропия термодинамической системы определяется как натуральный логарифм от числа различных микросостояний $Z$, соответствующих данному макроскопическому состоянию (например, состоянию с заданной полной энергией).

$S=k\ln Z.$

Коэффициент пропорциональности $k$ и есть постоянная Больцмана. Это выражение, определяющее связь между микроскопическими ($Z$) и макроскопическими состояниями ($S$), выражает центральную идею статистической механики.

Предполагаемая фиксация значения

XXIV Генеральная конференция по мерам и весам, состоявшаяся 17—21 октября 2011 года, приняла резолюцию, в которой, в частности, предложено будущую ревизию Международной системы единиц произвести так, чтобы зафиксировать значение постоянной Больцмана, после чего она будет считаться определённой точно. В результате будет выполняться точное равенство k=1,380 6X·10⁻²³ Дж/К. Такая предполагаемая фиксация связана со стремлением переопределить единицу термодинамической температуры кельвин, связав его величину со значением постоянной Больцмана.

См. также

• Термодинамическая энтропия
• Число Авогадро
• Универсальная газовая постоянная
• Уравнение состояния идеального газа