~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Arc.Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Номер скриншота №:
✰ 2AD6BD14DA014FCBEC0FD0198D632C4A__1714969260 ✰
Заголовок документа оригинал.:
✰ Boltzmann constant - Wikipedia ✰
Заголовок документа перевод.:
✰ Постоянная Больцмана — Википедия ✰
Снимок документа находящегося по адресу (URL):
✰ https://en.wikipedia.org/wiki/Boltzmann_constant ✰
Адрес хранения снимка оригинал (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/2a/4a/2ad6bd14da014fcbec0fd0198d632c4a.html ✰
Адрес хранения снимка перевод (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/2a/4a/2ad6bd14da014fcbec0fd0198d632c4a__translat.html ✰
Дата и время сохранения документа:
✰ 13.06.2024 19:40:21 (GMT+3, MSK) ✰
Дата и время изменения документа (по данным источника):
✰ 6 May 2024, at 07:21 (UTC). ✰ 

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Сервисы Ask3.ru: 
 Архив документов (Снимки документов, в формате HTML, PDF, PNG - подписанные ЭЦП, доказывающие существование документа в момент подписи. Перевод сохраненных документов на русский язык.)https://arc.ask3.ruОтветы на вопросы (Сервис ответов на вопросы, в основном, научной направленности)https://ask3.ru/answer2questionТоварный сопоставитель (Сервис сравнения и выбора товаров) ✰✰
✰ https://ask3.ru/product2collationПартнерыhttps://comrades.ask3.ru


Совет. Чтобы искать на странице, нажмите Ctrl+F или ⌘-F (для MacOS) и введите запрос в поле поиска.
Arc.Ask3.ru: далее начало оригинального документа

Постоянная Больцмана — Википедия Jump to content

постоянная Больцмана

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

постоянная Больцмана
Людвиг Больцман , тезка константы
Символ: к Б , к
Значение в джоулях на кельвин : 1.380 649 × 10 −23  J⋅K −1 [1]

( Константа Больцмана k B или k ) — это коэффициент пропорциональности который связывает среднюю относительную тепловую энергию частиц газе в , с термодинамической температурой газа. [2] Он встречается в определениях кельвина (К) и газовой постоянной , а также в законе Планка о излучении черного тела и формуле энтропии Больцмана и используется при расчете теплового шума в резисторах . Константа Больцмана имеет размерность энергии , деленную на температуру , такую ​​же, как и энтропия . Назван в честь австрийского учёного Людвига Больцмана .

В рамках переопределения базовых единиц СИ в 2019 году константа Больцмана стала одной из семи « определяющих констант », которым были даны точные определения. Они используются в различных комбинациях для определения семи основных единиц СИ. Постоянная Больцмана определяется как равная ровно 1,380 649 × 10. −23 джоули на кельвин. [1]

Больцмана постоянной Роль

Связь между законами Бойля , Шарля , Гей-Люссака , Авогадро , комбинированного и идеального газа с постоянной Больцмана k = Р / Н А = n R / N (в каждом законе свойства , обведенные кружком, являются переменными, а свойства, не обведенные кружком, остаются постоянными)
ИЮПАК определение

Константа Больцмана : Константа Больцмана k является одной из семи фиксированных констант, определяющих Международную систему единиц СИ, с k = 1,380 649 x 10. -23 Дж.К. -1 . Константа Больцмана — это константа пропорциональности между величинами температуры (в единицах кельвина) и энергии (в единицах джоулей). [3]

Макроскопически закон идеального газа гласит, что для идеального газа произведение давления p и объема V пропорционально произведению количества вещества n и абсолютной температуры T :

где R молярная газовая постоянная ( 8,314 462 618 153 24 Дж⋅К −1 mol −1 ). [4] Введение постоянной Больцмана как газовой постоянной на молекулу. [5] k = R / NA ) ( NA Авогадро постоянная : преобразует закон идеального газа в альтернативную форму

где N число молекул газа.

Роль в равнораспределении энергии [ править ]

Учитывая термодинамическую систему при абсолютной температуре T , средняя тепловая энергия, переносимая каждой микроскопической степенью свободы в системе, равна 1/2 т . 2,07   к Тл е. около × 10 ( −21 Дж , или 0,013 эВ , при комнатной температуре). Обычно это справедливо только для классических систем с большим числом частиц и в которых квантовые эффекты пренебрежимо малы.

В классической статистической механике предсказывается, что это среднее значение справедливо именно для однородных идеальных газов . Одноатомные идеальные газы (шесть благородных газов) обладают тремя степенями свободы на атом, что соответствует трем пространственным направлениям. Согласно равнораспределению энергии это означает, что существует тепловая энергия 3/2 на   кТ атом . Это очень хорошо согласуется с экспериментальными данными. Тепловую энергию можно использовать для расчета среднеквадратичной скорости атомов, которая оказывается обратно пропорциональна квадратному корню из атомной массы . Среднеквадратические скорости, найденные при комнатной температуре, точно отражают это: от 1370 м/с для гелия до 240 м/с для ксенона .

Кинетическая теория дает среднее давление p для идеального газа как

Сочетание с законом идеального газа

показывает, что средняя поступательная кинетическая энергия равна

Учитывая, что вектор скорости поступательного движения v имеет три степени свободы (по одной для каждого измерения), получаем среднюю энергию на одну степень свободы, равную одной трети от этого, т.е. 1/2   к Т.

Уравнению идеального газа также точно подчиняются молекулярные газы; но форма теплоемкости сложнее, поскольку молекулы обладают дополнительными внутренними степенями свободы, а также тремя степенями свободы движения молекулы в целом. Например, двухатомные газы обладают в общей сложности шестью степенями простой свободы на молекулу, связанными с движением атомов (три поступательные, две вращательные и одна колебательная). При более низких температурах не все эти степени свободы могут полностью участвовать в теплоемкости газа из-за квантово-механических ограничений на наличие возбужденных состояний при соответствующей тепловой энергии на молекулу.

Роль Больцмана в факторах

В более общем смысле, системы, находящиеся в равновесии при температуре T, вероятность Pi имеют занять состояние i с энергией E , взвешенной соответствующим фактором Больцмана :

где Z статистическая сумма . энергоподобная величина k T. Опять же, центральное значение имеет

Следствием этого является (помимо приведенных выше результатов для идеальных газов) уравнение Аррениуса в химической кинетике .

в статистическом энтропии Роль определении

Могила Больцмана в Центральном Фридхофе в Вене, с бюстом и формулой энтропии.

В статистической механике энтропия S изолированной системы в термодинамическом равновесии определяется как натуральный логарифм W E , количества различных микроскопических состояний, доступных системе с учетом макроскопических ограничений (таких как фиксированная полная энергия ) :

Это уравнение, которое связывает микроскопические детали или микросостояния системы (через W ) с ее макроскопическим состоянием (через энтропию S ), является центральной идеей статистической механики. Его важность настолько велика, что оно начертано на надгробии Больцмана.

Константа пропорциональности k служит для того, чтобы сделать статистическую механическую энтропию равной классической термодинамической энтропии Клаузиуса :

Вместо этого можно было бы выбрать безразмерную энтропию, масштабированную в микроскопических терминах, такую, что

Шеннона Это более естественная форма, и эта масштабированная энтропия точно соответствует последующей информационной энтропии .

Таким образом, характеристическая энергия kT — это энергия, необходимая для увеличения перемасштабированной энтропии на один nat .

Тепловое напряжение [ править ]

В полупроводниках уравнение диода Шокли — взаимосвязь между потоком электрического тока и электростатическим потенциалом через p-n-переход от характеристического напряжения, называемого тепловым напряжением и обозначаемого VT — зависит . Тепловое напряжение зависит от абсолютной температуры T как

где q — величина электрического заряда на электроне величиной 1,602 176 634 × 10 −19 С. [6] Эквивалентно,

При комнатной температуре 300 К (27 °C; 80 °F) V T составляет примерно 25,85 мВ. [7] [8] который можно получить, подставив значения следующим образом:

При стандартной температуре 298,15 К (25,00 °C; 77,00 °F) оно составляет примерно 25,69 мВ . Тепловое напряжение также важно в плазме и растворах электролитов (например, уравнение Нернста ); в обоих случаях он обеспечивает меру того, насколько на пространственное распределение электронов или ионов влияет граница, удерживаемая при фиксированном напряжении. [9] [10]

История [ править ]

Постоянная Больцмана названа в честь ее австрийского первооткрывателя XIX века Людвига Больцмана . Хотя Больцман впервые связал энтропию и вероятность в 1877 году, это соотношение никогда не выражалось с помощью конкретной константы до тех пор, пока Макс Планк впервые не ввел k и не дал для него более точное значение ( 1,346 × 10 −23 J/K , примерно на 2,5% ниже сегодняшнего показателя), при выводе закона излучения черного тела в 1900–1901 гг. [11] До 1900 года уравнения, включающие факторы Больцмана, записывались не с использованием энергий на молекулу и постоянной Больцмана, а с использованием формы газовой постоянной R и макроскопических энергий для макроскопических количеств вещества. Знаменитая краткая форма уравнения S = k ln W на надгробии Больцмана на самом деле принадлежит Планку, а не Больцману. Планк фактически представил его в той же работе, что и его одноименный h . [12]

В 1920 году Планк в своей Нобелевской премии , написал: лекции, присужденной [13]

Эту константу часто называют константой Больцмана, хотя, насколько мне известно, сам Больцман никогда ее не вводил — своеобразное положение дел, которое можно объяснить тем, что Больцман, как следует из его периодических высказываний, никогда не задумывался о возможность проведения точного измерения константы.

Это «особое положение дел» иллюстрируется ссылкой на один из величайших научных споров того времени. Во второй половине девятнадцатого века существовали серьезные разногласия относительно того, реальны ли атомы и молекулы или они являются просто эвристическим инструментом для решения проблем. Не было единого мнения о том, являются ли химические молекулы, измеренные атомными весами , такими же, как физические молекулы, измеренные кинетической теорией . Лекция Планка 1920 года продолжалась: [13]

Ничто не может лучше иллюстрировать положительную и лихорадочную скорость прогресса, достигнутого искусством экспериментаторов за последние двадцать лет, чем тот факт, что с тех пор был открыт не один, а множество методов измерения массы молекулу практически с той же точностью, что и для планеты.

В версиях СИ до переопределения базовых единиц СИ в 2019 году константа Больцмана была измеряемой величиной, а не фиксированным значением. Его точное определение также менялось с годами из-за переопределения кельвина (см. Кельвин § История ) и других основных единиц СИ (см. Джоуль § История ).

В 2017 году наиболее точные измерения постоянной Больцмана были получены с помощью акустической газовой термометрии, которая определяет скорость звука одноатомного газа в трехосной эллипсоидной камере с помощью микроволновых и акустических резонансов. [14] [15] Эта десятилетняя работа была предпринята несколькими лабораториями с использованием различных методов; [а] это один из краеугольных камней переопределения базовых единиц СИ в 2019 году. На основании этих измерений CODATA рекомендовала 1,380 649 × 10. −23 Дж/К — окончательное фиксированное значение постоянной Больцмана, которое будет использоваться в Международной системе единиц . [16]

Значение в разных единицах [ править ]

Значения k Единицы Комментарии
1.380 649 × 10 −23 Дж / К СИ по определению, Дж/К = m 2 ⋅кг/(с 2 ⋅K) в базовых единицах СИ
8.617 333 262 × 10 −5 эВ
2.083 661 912 × 10 10 Гц ( к / ч ) †
1.380 649 × 10 −16 очень СГС Система , 1 эрг = 1 × 10 −7 Дж
3.297 623 483 × 10 −24 кал † 1 калория = 4,1868 Дж
1.832 013 046 × 10 −24 кал/ °Р
5.657 302 466 × 10 −24 фут-фунт /°R
0.695 034 800 см −1 ( k /( hc ) ) †
3.166 811 563 × 10 −6 Э ч ( E час = Хартри )
1.987 204 259 × 10 −3 ккал /( моль ⋅К) ( кН А ) †
8.314 462 618 × 10 −3 кДж/(моль⋅К) ( кН А ) †
−228.599 1672 дБ (Вт/К/Гц) 10 log 10 ( k /(1 Вт/К/Гц)) ,† используется для теплового шума расчетов
1.536 179 187 × 10 −40 кг/К к / с 2 , где c скорость света [17]

†Значение является точным, но не может быть выражено в виде конечной десятичной дроби; округляется только до 9 десятичных знаков.

Поскольку k является коэффициентом пропорциональности между температурой и энергией, его численное значение зависит от выбора единиц энергии и температуры. Небольшое численное значение постоянной Больцмана в единицах СИ означает, что изменение температуры на 1 К меняет энергию частицы лишь на небольшую величину. Изменение на 1 °C считается таким же, как изменение на 1 K. Характеристическая энергия kT — это термин, встречающийся во многих физических отношениях.

Постоянная Больцмана устанавливает связь между длиной волны и температурой (деление hc / k на длину волны дает температуру), при этом один микрометр относится к 14 387,777 К , а также связь между напряжением и температурой ( кТ в единицах эВ соответствует где один вольт соответствует 11 604,518 К. к напряжению) , Отношение этих двух температур 14 387,777 К / 11 604,518 К ≈ 1,239842, представляет собой численное значение hc в единицах эВ⋅мкм.

Натуральные единицы [ править ]

Постоянная Больцмана обеспечивает отображение характеристической микроскопической энергии E в макроскопическую температурную шкалу T = Э / к . В фундаментальной физике это отображение часто упрощается за счет использования естественных единиц , приравнивающих k к единице. Это соглашение означает, что величины температуры и энергии имеют одинаковые размерности . [18] [19] В частности, единица измерения СИ-кельвин становится лишней, поскольку ее определяют в джоулях как 1 К = 1,380 649 × 10. −23 Дж . [20] При таком соглашении температура всегда выражается в единицах энергии, а константа Больцмана явно не требуется в формулах. [18]

Это соглашение упрощает многие физические соотношения и формулы. Например, формула равнораспределения энергии, связанной с каждой классической степенью свободы ( выше) становится

Другой пример: определение термодинамической энтропии совпадает с формой информационной энтропии :

где Pi вероятность каждого микросостояния .

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Использовались независимые методы: акустическая газовая термометрия, газовая термометрия с диэлектрической проницаемостью, шумовая термометрия Джонсона. Участвующие лаборатории, указанные CODATA в 2017 году: LNE - Cnam (Франция), NPL (Великобритания), INRIM (Италия), PTB (Германия), NIST (США), NIM (Китай).

Ссылки [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б Ньюэлл, Дэвид Б.; Тиесинга, Эйте (2019). Международная система единиц (СИ) . Специальная публикация NIST 330. Гейтерсбург, Мэриленд: Национальный институт стандартов и технологий. дои : 10.6028/nist.sp.330-2019 . S2CID   242934226 .
  2. ^ Ричард Фейнман (1970). Фейнмановские лекции по физике, том I. Эддисон Уэсли Лонгман. ISBN  978-0-201-02115-8 .
  3. ^ «Постоянная Больцмана» . Золотая книга . ИЮПАК. 2020. doi : 10.1351/goldbook.B00695 . Проверено 1 апреля 2024 г.
  4. ^ «Материалы 106-го заседания» (PDF) . 16–20 октября 2017 г.
  5. ^ Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия: принципы и современные приложения (8-е изд.). Прентис Холл. п. 785. ИСБН  0-13-014329-4 .
  6. ^ «Значение CODATA 2022: элементарный заряд» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
  7. ^ Рашид, Мухаммад Х. (2016). Микроэлектронные схемы: анализ и проектирование (3-е изд.). Cengage Обучение. стр. 183–184. ISBN  9781305635166 .
  8. ^ Катальдо, Энрико; Ди Лието, Альберто; Маккарроне, Франческо; Паффути, Джампьеро (18 августа 2016 г.). «Измерения и анализ вольт-амперной характеристики pn-диода для студенческой физической лаборатории». arXiv : 1608.05638v1 [ physical.ed-ph ].
  9. ^ Кирби, Брайан Дж. (2009). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах (PDF) . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-11903-0 .
  10. ^ Табелинг, Патрик (2006). Введение в микрофлюидику . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-856864-3 .
  11. ^ Планк, Макс (1901). «О законе распределения энергии в нормальном спектре» . Анналы физики . 309 (3): 553–63. Стартовый код : 1901АнП...309..553П . дои : 10.1002/andp.19013090310 . . Английский перевод: «О законе распределения энергии в нормальном спектре» . Архивировано из оригинала 17 декабря 2008 года.
  12. ^ Геархарт, Клейтон А. (2002). «Планк, квант и историки» . Физика в перспективе . 4 (2): 177. Бибкод : 2002ФП.....4..170Г . дои : 10.1007/s00016-002-8363-7 . ISSN   1422-6944 . S2CID   26918826 .
  13. ^ Перейти обратно: а б Планк, Макс (2 июня 1920 г.). «Происхождение и современное состояние развития квантовой теории» . Нобелевские лекции по физике 1901-1921 гг . Издательство Elsevier, Амстердам (опубликовано в 1967 г.).
  14. ^ Питре, Л; Спараски, Ф; Рисегари, Л; Гвианварч, К; Мартин, К; Химберт, Мэн; Плиммер, доктор медицины; Аллард, А; Марти, Б; Джулиано Альбо, Пенсильвания; Гао, Б; Молдовер, MR; Мель, Дж.Б. (1 декабря 2017 г.). «Новое измерение постоянной Больцмана методом акустической термометрии газа гелия-4» (PDF) . Метрология . 54 (6): 856–873. Бибкод : 2017Метро..54..856П . дои : 10.1088/1681-7575/aa7bf5 . hdl : 11696/57295 . S2CID   53680647 . Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2019 года.
  15. ^ де Подеста, Майкл; Марк, Даррен Ф; Даймок, Росс С; Андервуд, Робин; Баккар, Томас; Саттон, Гэвин; Дэвидсон, Стюарт; Мачин, Грэм (1 октября 2017 г.). «Повторная оценка соотношений изотопов аргона, ведущая к пересмотренной оценке постоянной Больцмана» (PDF) . Метрология . 54 (5): 683–692. Бибкод : 2017Метро..54..683D . дои : 10.1088/1681-7575/aa7880 . S2CID   125912713 .
  16. ^ Ньюэлл, Д.Б.; Кабиати, Ф.; Фишер Дж.; Фуджи, К.; Каршенбойм, С.Г.; Марголис, HS; Мирандес, Э. де; Мор, П.Дж.; Нез, Ф. (2018). «Значения h, e, k и NA в CODATA 2017 для пересмотра SI» . Метрология . 55 (1): Л13. Бибкод : 2018Метро..55Л..13Н . дои : 10.1088/1681-7575/aa950a . ISSN   0026-1394 .
  17. ^ «Значение CODATA: соотношение Кельвин-килограмм» .
  18. ^ Перейти обратно: а б Калинин М.; Кононогов, С. (2005). «Константа Больцмана, энергетический смысл температуры и термодинамическая необратимость». Методика измерения . 48 (7): 632–636. дои : 10.1007/s11018-005-0195-9 . S2CID   118726162 .
  19. ^ Киттель, Чарльз; Кремер, Герберт (1980). Теплофизика (2-е изд.). Сан-Франциско: WH Freeman. п. 41. ИСБН  0716710889 . Мы предпочитаем использовать более естественную температурную шкалу... фундаментальная температура имеет единицы энергии.
  20. ^ Мор, Питер Дж.; Ширли, Эрик Л.; Филлипс, Уильям Д.; Тротт, Майкл (1 октября 2022 г.). «О размерности углов и их единиц» . Метрология . 59 (5): 053001. arXiv : 2203.12392 . Бибкод : 2022Метро..59e3001M . дои : 10.1088/1681-7575/ac7bc2 .

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец оригинального документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2AD6BD14DA014FCBEC0FD0198D632C4A__1714969260
URL1:https://en.wikipedia.org/wiki/Boltzmann_constant
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Boltzmann constant - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть, любые претензии не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, денежную единицу можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)