Постоянная Больцмана

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Значения постоянной Больцмана в разных единицах
Численное значение Единица
1,380 649⋅10−23 Дж·К−1[1]
1,380 649⋅10−16 эрг·К−1
8,617 333 262... ⋅10−5 эВ·К−1[2]

Постоя́нная Бо́льцмана ( или ) — 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 значение в Международной системе единиц СИ согласно изменениям определений основных единиц СИ точно равно

Дж/К.

В системе единиц Планка постоянная Больцмана выбрана в качестве одной из основных единиц системы[3].

Универсальная газовая постоянная определяется как произведение постоянной Больцмана на число Авогадро, . Газовая постоянная более удобна, когда число частиц задано в молях.

Связь между температурой и энергией[править | править код]

В однородном идеальном газе, находящемся при абсолютной температуре , энергия, приходящаяся на каждую поступательную степень свободы, равна, как следует из распределения Максвелла, . При комнатной температуре (300 К) эта энергия составляет Дж, или 0,025851 эВ. В одноатомном идеальном газе каждый атом обладает тремя степенями свободы, соответствующими трём пространственным осям, что означает, что на каждый атом приходится энергия в .

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 5 степеней свободы - 3 поступательных и 2 вращательных (при низких температурах, когда не возбуждены колебания атомов в молекуле и не добавляются дополнительные степени свободы).

Определение энтропии[править | править код]

Энтропия термодинамической системы определяется как величина, пропорциональная натуральному логарифму от числа различных микросостояний , соответствующих данному макроскопическому состоянию (например, состоянию с заданной полной энергией).

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

Фиксация значения[править | править код]

XXIV Генеральная конференция по мерам и весам, состоявшаяся 17—21 октября 2011 года, приняла резолюцию[4], в которой, в частности, было предложено будущую ревизию Международной системы единиц произвести так, чтобы зафиксировать значение постоянной Больцмана, после чего она будет считаться определённой точно. В результате должно было выполняться точное равенство k = 1,380 6X⋅10−23 Дж/К, где Х заменяет одну или более значащих цифр, которые должны были быть определены в дальнейшем на основании наиболее точных рекомендаций CODATA. Такая фиксация была связана со стремлением переопределить единицу термодинамической температуры кельвин, связав его величину со значением постоянной Больцмана.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Boltzmann constant (англ.). CODATA Internationally recommended 2014 values of the Fundamental Physical Constants. NIST (2014). Дата обращения 3 ноября 2016.
  2. Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  3. Чертов А. Г. Единицы физических величин. — М.: «Высшая школа», 1977. — С. 23. — 287 с.
  4. On the possible future revision of the International System of Units, the SI Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011)