Постоянная Больцмана
Краткое описание
Постоянная Больцмана — физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией.
Взаимосвязь между макроскопическими свойствами материи (давление, температура) и характером движения атомов и молекул описывается молекулярно-кинетической теорией. Одним из ее создателей являлся Людвиг Больцман.
В рамках этой теории температура газа объясняется кинетической энергией его молекул (скоростью движения), а давление — их упругими ударами о стенки сосуда. Это соотношение устанавливает формула:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
где m — масса молекул газа, v — их средняя скорость, k — постоянная Больцмана, а T — температура газа по шкале Кельвина.
Физический смысл постоянной Больцмана заключается в обеспечении взаимосвязи характеристик атомно-молекулярного уровня и объемными свойствами газа, которые можно измерить при помощи приборов.
Постоянная Больцмана обозначается буквой k, а ее величина равна
Как соотносится энергия и температура
В идеальном одноатомном газе каждый атом имеет три степени свободы, которые соответствуют трем пространственным осям. Поэтому энергию, приходящуюся на каждый атом можно выразить как
Если известна величина тепловой энергии, то нетрудно рассчитать среднеквадратичную скорость атомов. Она будет обратно пропорциональна корню квадратному из атомной массы. Например, при температуре 300 К среднеквадратичная скорость молекул ксенона составит 240 м/с, а гелия — 1370 м/с.
Вычисления для молекулярного газа усложняются. Это связано с увеличением степеней свобод. Так, например, при низкой температуре двухатомный газ имеет уже две вращательных и три поступательных степеней свободы. Рассмотрим решение конкретной задачи.
Задача
Газ состоит из N-атомных объемных молекул и находится при определенной температуре Т, при которой у молекул возбуждены колебательные, вращательные и поступательные степени свободы. Найти среднюю энергию молекул этого газа.
На каждую степень свободы в среднем приходится одинаковая величина кинетической энергии (закон равномерного распределения энергии по степеням свободы), которая равна
Тогда можно утверждать, что средняя энергия молекулы составит
Сделаем небольшое пояснение: i — сумма поступательных, вращательных и удвоенного количества колебательных степеней свободы, то есть
Теперь необходимо определить сколько степеней свободы имеют молекулы рассматриваемого газа:
Сокращаем полученное выражение и получаем:
Ключевые нюансы
Постоянная Больцмана представляет собой отношение газовой постоянной (R) к постоянной Авогадро (Na):
По состоянию на 2017 год в международной системе единиц (СИ) ее значение составляет
а размерность — Дж/К.
Постоянную Больцмана не следует путать с постоянной Стефана-Больцмана, которая является константой пропорциональности в законе Стефана-Больцмана.
Способы нахождения постоянной Больцмана
Для нахождения постоянной Больцмана можно использовать различные методы.
Универсальный метод
Искомый коэффициент входит в уравнение состояния идеального газа:
Многочисленные опыты показывают, что при нагревании любого газа от T0=273 К до Т1=373 K его давление на стенки сосуда увеличивается с \(P_0=1.013\times10^5\) Па до \(P_1=1.38\times10^5 Па.\)
Провести такой опыт совсем несложно. В качестве газа используется обычный воздух, давление измеряется при помощи манометра, а температура — термометра. При этом известно, что один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем V=22,4 л и содержит \(6.02\times10^<23>\) молекул.
Подставим известные параметры в уравнение состояния идеального газа:
Отсюда, коэффициент k
Подставив в получившиеся уравнение известные данные и решив его получаем значение постоянной Больцмана равное \(1.38\times10^<-23>.\)
Через формулу броуновского движения
Небольшое зеркальце подвешивают на упругой нити. Система зеркало-воздух находится в статическом равновесии. О поверхность зеркала ударяются хаотично движущиеся молекулы воздуха. Поэтому оно ведет себя как одна из броуновских частиц. Помимо этого, зеркало будет совершать и крутильные колебания вокруг оси, которой является упругая нить-подвес.
Зеркальную поверхность освещают лучом света. При ее, даже небольших поворотах, отраженный луч будет смещаться. Это позволяет не только увидеть, но и измерить крутильные колебания.
Умножив обе части уравнения на \(\varphi\) и преобразовав его получаем:
Так как малые крутильные колебания являются гармоничными, то можно записать:
Исходя из него получаем:
Подставив в полученную формулу полученные опытным путем данные, например
Получаем приблизительное значение постоянной Больцмана равное
Области применения
Постоянная Больцмана является важным членом многих уравнений:
Кроме того, постоянная Больцмана играет роль в распределении энергии, используется в определении энтропии. Немаловажное значение имеет эта константа и в физике полупроводников. Она входит в состав формулы, описывающей зависимость между электропроводимостью и температурой.
Постоянная Больцмана
Людвиг Больцман — один из создателей молекулярно-кинетической теории газов, на которой зиждется современная картина взаимосвязи между движением атомов и молекул с одной стороны и макроскопическими свойствами материи, такими как температура и давление, с другой. В рамках такой картины давление газа обусловлено упругими ударами молекул газа о стенки сосуда, а температура — скоростью движения молекул (а точнее, их кинетической энергией).Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура.
Постоянная Больцмана дает возможность напрямую связать характеристики микромира с характеристиками макромира — в частности, с показаниями термометра. Вот ключевая формула, устанавливающая это соотношение:
Раздел физики, изучающий связи между явлениями микромира и макромира, называется статистическая механика. В этом разделе едва ли найдется уравнение или формула, в которых не фигурировала бы постоянная Больцмана. Одно из таких соотношений было выведено самим австрийцем, и называется оно просто уравнение Больцмана:
где S — энтропия системы (см. Второе начало термодинамики), p — так называемый статистический вес (очень важный элемент статистического подхода), а b — еще одна константа.
Австрийский физик. Родился в Вене в семье госслужащего. Учился в Венском университете на одном курсе с Йозефом Стефаном (см. Закон Стефана—Больцмана). Защитившись в 1866 году, продолжил научную карьеру, занимая в разное время профессорские должности на кафедрах физики и математики университетов Граца, Вены, Мюнхена и Лейпцига. Будучи одним из главных сторонников реальности существования атомов, сделал ряд выдающихся теоретических открытий, проливающих свет на то, каким образом явления на атомном уровне сказываются на физических свойствах и поведении материи.
Постоянная Больцмана
Постоянной Больцмана называется физическая постоянная, с помощью которой определяется связь между энергией и температурой.
Не следует путать ее с постоянной Стефана-Больцмана, связанной с излучением энергии абсолютно твердого тела.
Существуют различные методы вычисления данного коэффициента. В рамках этой статьи мы рассмотрим два их них.
Нахождение постоянной Больцмана через уравнение идеального газа
Для этого запишем уравнение дважды, подставив в него параметры состояний.
Зная результат, можем найти значение параметра k :
Нахождение постоянной Больцмана через формулу броуновского движения
Для второго способа вычисления нам также потребуется провести эксперимент. Для него нужно взять небольшое зеркало и подвесить в воздухе с помощью упругой нитки. Допустим, что система зеркало-воздух находится в стабильном состоянии (статическом равновесии). Молекулы воздуха ударяют в зеркало, которое, по сути, ведет себя как броуновская частица. Однако с учетом его подвешенного состояния мы можем наблюдать вращательные колебания вокруг определенной оси, совпадающей с подвесом (вертикально направленной нитью). Теперь направим на поверхность зеркала луч света. Даже при незначительных движениях и поворотах зеркала отражающийся в нем луч будет заметно смещаться. Это дает нам возможность измерить вращательные колебания объекта.
Следующее уравнение является законом сохранения энергии, который будет выполняться для данных колебаний (то есть потенциальная энергия будет переходить в кинетическую и обратно). Мы можем считать эти колебания гармоническими, следовательно:
При выведении одной из формул ранее мы использовали закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Значит, можем записать так:
Следовательно, зная основы броуновского движения, мы можем найти постоянную Больцмана с помощью измерения макропараметров.
Значение постоянной Больцмана
Значение изучаемого коэффициента состоит в том, что с его помощью можно связать параметры микромира с теми параметрами, что описывают макромир, например, термодинамическую температуру с энергией поступательного движения молекул:
Этот коэффициент входит в уравнения средней энергии молекулы, состояния идеального газа, кинетической теории газа, распределение Больцмана-Максвелла и многие другие. Также постоянная Больцмана необходима для того, чтобы определить энтропию. Она играет важную роль при изучении полупроводников, например, в уравнении, описывающем зависимость электропроводности от температуры.
Переходим к определению количества степеней свободы молекулы:
Сначала вычислим общую массу смеси.
Теперь из данного уравнения выразим концентрацию первого газа:
Далее нам потребуется уравнение, описывающее состояние идеального газа:
Подставим полученное равнее значение:
Поскольку молярные массы газов нам известны, мы можем найти массы молекул первого и второго газа:
Постоянная Больцмана — формула
Краткое описание
Талантливый Людвиг Больцман — один из крупнейших учёных XIX века. Именно этот человек в своё время внёс колоссальный вклад в развитие молекулярно-кинетической теории.
Целеустремлённость Больцмана повлекла за собой то, что он стал одним из главных основателей статической механики.
Людвиг был автором многогранной эргодической гипотезы, статистического метода в подробном толковании идеального газа, который был основан на уравнении физической кинетики.
Больцман все свои силы вложил в то, чтобы общественность могла больше узнать о термодинамике. В итоге он смог вывести теорему, где подробно описал статистический принцип для второго начала термодинамики.
Физики высоко ценят точку зрения Больцмана, так как в результате многочисленных попыток он смог описать теорию излучения. В своих работах он неоднократно затрагивал вопросы электродинамики, оптики. Имя этого талантливого учёного было увековечено сразу в двух физических константах.
В своё время Больцман был убеждённым и последовательным сторонником теории многогранного атомно-молекулярного строения вещества.
В течение многих лет он был вынужден бороться с непониманием и отрицательными отзывами по отношению к его работам в научном сообществе того времени. Многие физики полагали, что молекулы и атомы представляют собой излишнюю абстракцию.
На надгробном памятнике в знак огромной признательности к его заслугам было выбито уравнение S = k * logW. В этом уравнении константа k является произведением постоянной Больцмана. Для решения задач нужно соблюдать размерность физической величины.
Основное соотношение температуры и энергии
Традиционная модель идеального газа активно используется для правильного расчёта состояний реального вещества при давлениях и температурах, которые близки к нормальным показателям.
В этом случае размер молекулы существенно меньше объёма, который занят определённым количеством газа. А вот расстояние между частицами существенно превышает итоговый радиус их тесного взаимодействия.
В кинетической теории чётко описаны все необходимые понятия уравнения. Для поиска средней энергии таких частиц принято использовать следующую формулу: Ecp = 3/2 * kT.
Расшифровка выглядит следующим образом:
В этом случае используется число 3, которое характеризует количество степеней свободы поступательного движения молекул в трёх пространственных измерениях.
А вот величину k через некоторое время назвали постоянной Больцмана в честь австрийского физика. Этот термин призван показывать то, какую часть энергии или джоуля содержит в себе один градус.
Значение константы определяет, насколько именно может статистически увеличиваться энергия хаотического движения одного фрагмента идеального газа при повышении температуры на 1°. Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана — Больцмана.
Установить зависимость между константой и другими фундаментальными постоянными можно, приравняв величину средней энергии молекул, найденную разными способами.
Распределение молекул статистическим образом
Учащихся часто интересует вопрос, чему равно значение постоянной Больцмана, так как это направление имеет огромную ценность в физике.
Учёными было доказано, что состояние вещества макроскопического порядка представляет собой конкретный результат поведения огромной совокупности определённых частиц, так как именно с их помощью можно описать все существующие сегодня статистические методы.
Для решения элементарных задач обязательно нужно разобраться в том, каким именно образом происходит распределение энергетических параметров молекул газа.
В этом случае следует учесть несколько важных нюансов:
Стоит учесть, что оба этих метода успешно объединяются в многофункциональное распределение Максвелла-Больцмана.
Ключевые нюансы
Если при абсолютной температуре (Т) хранится однородный идеальный газ, то та энергия, что приходится на каждую поступательную степень свободы, обязательно будет равна формуле kT /2 (это утверждение подробно описано в распределении Максвелла).
В результате проведённых исследований удалось доказать, что в одноатомном идеальном газе каждый отдельный атом обладает сразу тремя степенями свободы. Данные соответствуют трем пространственным осям, благодаря чему на каждый атом приходится энергия, которая равна формуле 3/2 kT.
Правильно вычислить среднеквадратичную скорость атомов можно только в том случае, если изначально знать реальную тепловую энергию. Используемые данные должны быть обратно пропорциональны квадратичному корню атомной массы.
В учебниках по физике содержится информация о том, что стандартная среднеквадратичная скорость при комнатной температуре может варьироваться от 1379 м/с (утверждение уместно по отношению к гелию) до 240 м/с (ксенон). Ситуация немного усложняется в том случае, если речь касается молекулярного газа.
Пример: пять степеней свободы имеет двухатомный газ (колебания атомов в молекуле отсутствует только в том случае, если температура окружающей среды кардинально снижена).
Экспертами было доказано, что именно энтропия термодинамической системы может измеряться как натуральный логарифм от числа разных микросостояний (V), которые в точности соответствуют конкретному микроскопическому состоянию (чаще всего это утверждение касается состояния с заданной полной энергией).
Для решения задачи лучше воспользоваться этой формулой: S = k ln V. Постоянная Больцмана отображена коэффициентом пропорциональности (k). Определяющая связь между микроскопическими (V) и макроскопическими состояниями (S) отлично выражает главную идею многогранной статистической механики.
Способы нахождения постоянной Больцмана
Физика является интересной и многогранной наукой. Для решения поставленных задач часто используется постоянная Больцмана. Формула имеет свои особенности, но для изучения всех нюансов понадобится реальный эксперимент.
Для этого необходимо взять обычное зеркало и подвесить его в воздухе при помощи упругой нитки. Можно представить, что созданная система зеркало-воздух пребывает в стабильном состоянии, которое ещё называется статистическим равновесием.
Крошечные молекулы воздуха ударяют в поверхность зеркала, которое на практике ведёт себя как броуновская частица. С учётом подвешенного состояния во время эксперимента можно наблюдать вращательные колебания вокруг определённой оси, которая совпадает с вертикально направленной нитью.
После проделанных манипуляций нужно направить луч света на поверхность зеркала. Даже при минимальных поворотах и вращающихся движениях зеркала отражающийся луч будет существенно смещаться. Благодаря этому, есть возможность измерить вращательные колебания объекта.
Для обозначения модуля кручения нужно использовать большую букву Р. Момент инерции зеркала по отношению к основной оси вращения можно записать как В, а вот угол поворота зеркала — как Т. Недостатком этого примера можно считать то, что сила упругости стремится вернуть зеркало в равновесное положение.
Существующая энергия равномерно распределяется по степеням свободы на каждую отдельную её степень. Это значит, что на каждую степень будет приходиться равная кинетическая энергия: =½kT.
Для правильного вычисления средней энергии принято использовать следующую элементарную формулу: =i/2kT, где i=m post +m υr +2m kol. Решение этой задачи выглядит следующим образом:
Решение этой задачи является элементарным, но это утверждение актуально только в том случае, если учащийся заранее разобрался со всеми тонкостями. После проведённых манипуляций можно определить, что средняя энергия молекулы будет составлять = (3N − 3) kT.
Физическая константа
Этот раздел физики нельзя оставлять без внимания. Экспертами неоднократно было доказано, что формула Больцмана относится к категории фундаментальных констант.
Если учесть все нюансы, то в итоге можно определить характеристики микроскопических явлений молекулярного уровня с параметрами процессов, которые можно наблюдать в макромире. Константа Больцмана входит в ряд важных уравнений в физике.
На сегодняшний день всё ещё неизвестно, существует ли в науке какой-либо физический принцип, на основании которого можно было бы вывести необходимую формулу исключительно теоретически.
А это значит, что в качестве меры соответствия кинетической энергии частиц можно было бы использовать другие величины и математические единицы вместо привычных градусов. Тогда численное значение константы имело бы совершенно другой показатель, но она по-прежнему оставалась бы постоянной величиной.
Если рассматривать примеры других фундаментальных величин аналогичного принципа со стандартным зарядом и постоянной гравитационной, то наука воспримет существующую константу Больцмана как данность и будет использовать её для теоретического описания протекающих на планете физических процессов.
В конце 2011 года состоялась Генеральная конференция по весам и мерам, которая приняла резолюцию. В документах было подробно описано то, что нужно выполнить полноценную ревизию Международной системы единиц, чтобы иметь возможность зафиксировать значение постоянной.
Такая фиксация была напрямую связана со стремлением переопределить конкретную единицу термодинамической температуры кельвин.
Вывод основного уравнения МКТ. Для термодинамических систем выполняются законы термодинамики
Для термодинамических систем выполняются законы термодинамики.
12. Среднеквадратичная скорость молекул. Молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры.
Молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры. С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура есть величина, пропорциональная средней энергии поступательного движения молекулы. =3/2kT.
13. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (вывод). Число степеней свободы молекулы. Закон распределения энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа.
Пусть имеется кубический сосуд с ребром длиной l и одна частица массой m в нём.
Обозначим скорость движения vx, тогда перед столкновением со стенкой сосуда импульс частицы равен mvx, а после — − mvx, поэтому стенке передается импульс p = 2mvx. Время, через которое частица сталкивается с одной и той же стенкой, равно 
.
Отсюда следует: 
Так как давление 
, следовательно сила F = p * S
Подставив, получим: 
Преобразовав: 
Так как рассматривается кубический сосуд, то V = Sl
Отсюда: 
.
Соответственно, 
и 
.
Таким образом, для большого числа частиц верно следующее: 
, аналогично для осей y и z.
Поскольку 
, то 
. Это следует из того, что все направления движения молекул в хаотичной среде равновероятны.
Отсюда 
или 
.
Пусть 
— среднее значение кинетической энергии всех молекул, тогда: 
, откуда 
.
Для одного моля выражение примет вид 
Закон распределения энергии по степеням свободы. На каждую степень свободы приходится в среднем одинаковая кинетическая энергия, равная 1/2kT. 1. Средняя энергия одной молекулы =i(kT/2). 2. Внутренняя энергия одного моля газа. Um= NA=(i/2)kNAT. 3. Внутренняя энергия произвольной массы газа. U=(m/M)UM=(m/M)(i/2)RT.
14. Работа газа при расширении. Количество теплоты. Первое начало термодинамики.
Работа газа при расширении. 1. Изобарный процесс. p=const, A=p(V2-V1). 2. Изотермический процесс. t=const, A=(m/M)RT×ln(V2/V1). 3. Адиабатный процесс. dQ=0 A=(m/M)Cv(T2-T1) или A=((m/M)(RT1)/(g-1))(1-(V1/V2) g-1 ).
Первое начало термодинамики. Количество тепла, сообщённого системы идёт на приращение внутренней энергии системы и совершение работы над внешними телами. DQ=DU+DA. 1. При изобарном процессе Q=DU+A=nCvDT+nRDT. 2. При изохорном процессе A=0 Q=DU=nCvDT. 3. При изотермическом процессе DU=0 Q=A=nRDT×ln(V2/V1). 4. При адиабатном процессе Q=0 A=-DU=-nCvDT.
15. Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоемкости. Удельная и молярная теплоемкости. Формула Майера. Границы применимости теории.
Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоёмкости.
Теплоёмкостью какого либо тела называется величина равная количеству тепла, необходимого для того, чтобы изменить температуру тела на 1К. Cтела=dQ/dT (Джоуль/К). Теплоёмкость моля вещества называется молярной теплоёмкостью C (Джоуль/(Моль× К)).
Теплоёмкость единицы массы вещества называется удельной теплоёмкостью c (Джоуль/(кг×К)). c=C/M. Величина теплоёмкости зависит от условий, при которых происходит нагревание тела. 1. При постоянном объёме Cv=dU/dT. 2. При постоянном давлении:
где ΔV – изменение объема 1 моля идеального газа при изменении его температуры на ΔT. Отсюда следует:
Отношение ΔV / ΔT может быть найдено из уравнения состояния идеального газа, записанного для 1 моля: где R – универсальная газовая постоянная. При p = const
Таким образом, соотношение, выражающее связь между молярными теплоемкостями Cp и CV, имеет вид (формула Майера): 16. Изопроцессы идеального газа. Зависимость теплоемкости от вида процесса. Адиабатический процесс. Изопроцессы идеального газа. У идеального газа есть три изопроцесса. 1. Изотермический процесс. T=const, pV=const, const=(m/M)RT. 2. Изобарный процесс. p=const, V/T=const, const=(m/M)R/p. 3. Изохорный процесс. V=const, p/T=const, const=(m/M)R/V. Зависимость теплоёмкости от вида процесса. 1. Для изотермического процесса C=¥. 2. Для адиабатного процесса C=0. Адиабатный процесс. Адиабатным называется процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q=0 Þ газ при расширении совершает работ за счёт уменьшения его внутренней энергии. Þ газ охлаждается A’=DU. Кривая, изображающая адиабатический процесс называется адиабатой.
17. Тепловые двигатели и холодильные машины. КПД. Обратимые и необратимые процесы. Круговой процесс. Цикл Карно для идеального газа и его КПД. К.П.Д. h=1-(T2/T1)=(T1-T)/T1 Коэффициент полезного действия всех обратимых машин, работающих в идентичных условиях, одинаков и определяется только температурами нагревателей и холодильников. Обратимые и необратимы процессы. Обратимыми процессами называются такие процессы, которые могут быть проведены в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же состояния, что и при прямом ходе, только в обратной последовательности. Необратимыми процессами называются такие процессы, которые не могут проходить в обратном направлении. Круговой процесс. Круговыми процессами называются такие процессы, при которых система после ряда изменений возвращается в обратное состояние. Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |
или 
