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玻爾茲曼常數
鎖定
熱力學單位開爾文就是用玻爾茲曼常數定義的。
[1]
- 中文名
- 玻爾茲曼常數
- 外文名
- Boltzmann constant
- 符 號
- k或kB
玻爾茲曼常數簡介
玻爾茲曼常量系熱力學的一個基本常量,記為“k”,數值為:k=1.380649 × 10-23 J/K,玻爾茲曼常量可以推導得到:理想氣體常數R等於玻爾茲曼常數乘以阿伏伽德羅常數(即R=k·NA)。
玻爾茲曼常數物理意義
玻爾茲曼常數的物理意義是:氣體常數 R 是玻爾茲曼常量 k 乘上阿伏伽德羅常量NA。
Ek=(3/2)kT
式中Ek為單個分子的平均平動動能,T為熱力學温度。
玻爾茲曼常數推導過程
從氣體動理論的觀點來看,理想氣體是最簡單的氣體,其微觀模型有三條假設
[2]
:
1.分子本身的大小比分子間的平均距離小得多,分子可視為質點,它們遵從牛頓運動定律。
2.分子與分子間或分子與器壁間的碰撞是完全彈性的。
I=2m·vx
vx為x方向上的速度分量.這一次碰撞的時間為2a╱vx,故單位時間內的碰撞次數為vx╱2a。
所以單位時間內該分子對該器壁的衝量為:
(2m·vx)(vx/2a)=m·vx²/a.
而vx²=vy²=vz²=(1/3)v²,故單位時間內容器內所有分子對該器壁的壓強
p=N×(1/3)m·v²/(a×b×c)= (1/3)N·m·v²/V,
由於分子平動動能Ek=(1/2)m·v²故,
上述所有的v為粒子的平均速率,Ek為平均平動動能。
玻爾茲曼常數應用
玻爾茲曼常數熵函數
熵可以定義為玻爾茲曼常數乘以系統分子的狀態數的對數值:
S=k㏑Ω
這個公式是統計學的中心概念。系統某一宏觀態對應的微觀態數愈多,即它的混亂度愈大,則該狀態的熵也愈大。因而熵是表徵系統狀態無序度的物理量。
玻爾茲曼常數理想氣體常數
理想氣體常數等於玻爾茲曼常數與阿伏伽德羅常數的乘積:
R=kN
玻爾茲曼常數理想氣體温度
理想氣體的壓強公式為p=(1/3)Nmv2/V=(2N/3V)Ek,V為體積。而理想氣體狀態方程P=N/V*(R/N0)*T,其中N為分子數,N’為阿伏加德羅常數,定義R/N’為玻爾茲曼常數k,因此有
P=(N/V)kT
故(1/3)Nmv2/V=(N/V)kT,(1/2)mv2=(3/2)kT,即
Ek=(3/2)kT。
考慮到粒子的運動有三個自由度(x,y,z),在單個自由度上的粒子動能為總動能的1/3,
則有Ekx=Eky=Ekz=(1/2)kT,
可以看到:
②如果已知氣體的温度,就可以反過來求出處在這個温度下的分子的平動速度的平方的平均值,這個平均值開方就得到所謂方均根速率。
- 參考資料
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- 1. 國際單位制SI迎來歷史性變革 .國家市場監督管理總局.2018-11-16[引用日期2019-5-22]
- 2. 王吉有, 王麗香, 原安娟. 常温下玻爾茲曼常數的測量[J]. 大學物理實驗, 2006, 19(2):30-32.
- 3. 曹正東, 陸申龍, 金浩明. 玻爾茲曼常數測定裝置的製作與應用[J]. 實驗室研究與探索, 1991(2):81-82.