Стала Больцмана - малюнок

Стала Больцмана — формула, значення і властивості



Стала Больцмана (СБ) пов’язує температуру з енергією. Це незамінний інструмент в термодинаміці, вивченні тепла і його зв’язку. Стала названа на честь австрійського фізика, одного із засновників теорії статистичної механіки. Вона розширює класичну ньютонівську модель, щоб описати, як групова поведінка великих об’єктів виникає з мікроскопічних властивостей кожної окремої частинки.

Історичні дані

Як точна наука, фізика не вважається абсолютною без набору досить вагомих констант, які інтегруються як універсальні коефіцієнти в рівняння, що встановлюють зв’язок між будь-якими величинами. Це фундаментальні елементи, завдяки яким багато речей набувають незмінність.

Між цими характеристиками, властивими матерії Всесвіту, існує стала Больцмана, значення якої входить в ряд вагомих рівнянь. Варто сказати про певну кількість рішень за допомогою сталої.

Людвіг Больцман - портрет
Людвіг Больцман

Закони Ньютона керують силами, масами і рухами об’єктів або систем і вважаються детермінованими: тобто той, хто повністю знає початкові умови в системі, може точно передбачити майбутнє.

Саме так космічні місії розміщують свої модулі роботів в певних бажаних місцях в сотнях мільйонів кілометрів від Землі.

Для величезного комплексу об’єктів, таких як мільярди трильйонів гарячих молекул, що рухаються в паровому двигуні, панівною одиницею розрахунку є стала Больцмана, але неможливо визначити стан кожної незалежної частинки: вони рухаються з різними швидкостями і енергетичними діапазонами.

Наприклад, молекули повітря при кімнатній температурі 25 градусів за Цельсієм (300 кельвінів, або 77 градусів за Фаренгейтом) рухаються з середньою швидкістю близько 500 метрів в секунду (1100 миль на годину). Але деякі рухаються 223 м/с і 717 м/с і так далі, і всі вони рухаються в різних напрямках. Кожна їх властивість не може бути відомою.

Однак розуміння фізики теплових явищ вимагає деякого способу зробити математично корисні твердження про колекції величезного числа об’єктів. Больцман та інші вчені показали, що це можна обчислити з точки зору статистики та ймовірностей механіки.

Колективні термодинамічні властивості комбінацій випливають із суми енергій кожного окремого об’єкта. Цікаво, що різні значення енергії мають інші ймовірності виникнення. Для обчислень потрібно знати, чому дорівнює значення сталої Больцмана. Ось рівняння:

E=32kt

Стала Больцмана - формула

Молекули і теплові речовини

Фізичний сенс сталої Больцмана і температури застосовується до властивості ступеня нагріву тіла. У фізиці використовується безумовна шкала, заснована на виведенні молекулярно-кінетичної доктрини як міри, що показує кількість енергії теплового руху частинок.

Дані для обчислень, що використовуються в системі СГС, вважаються дуже великими одиницями, щоб виразити енергію молекул, і, таким чином, досить складно виміряти температуру цим способом. Зручною одиницею зняття даних вважається градус, і дані фіксуються побічно, шляхом реєстрації макроскопічних показань речовини, що змінюються.

В однорідному бездоганному газі при певній температурі енергія на будь-якому поступальному рівні свободи дорівнює, що випливає з визначення Максвелла. При кімнатній температурі ця енергія дорівнює j або 0,013 ев.

У одноатомному ідеальному газі будь-який атом містить 3 ступені свободи і відповідає 3 просторовим осям, що фактично означає, що будь-який атом містить енергію B. З урахуванням теплової енергії можна визначити середнє значення квадрата швидкості атомів, яке назад пропорційно кореню маси.

Закон Стефана-Больцмана

Особливості енергії

Для розрахунку речовин при температурах і тисках, наближених до звичайних, застосовується досконала газова модель, тобто та, величина молекули якої набагато менше зайнята конкретною чисельністю речовин, а відстань між частинками набагато більше радіусу їх взаємодії.

Ґрунтуючись на рівняннях кінетичної доктрини, середня енергія цих частинок націлена як

ECP = 3/2 ∙ kT

де

  • E – кінетична енергія,
  • t – температура,
  • 3/2 — коефіцієнт пропорційності K, введений Больцманом.

Чисельність тут характеризує:

  • кількість ступенів свободи поступального руху молекули;
  • просторове вимірювання.

Сенс k, який пізніше був названий на честь Больцмана, демонструє, скільки джоулів на рівні 1. В інших доктринах його сенс визначає, як статистично, в середньому, енергія термічного неселективного переміщення 1-го моноатомного газу зростає з підвищенням температури на 1 градус.

Абсолютна температура

Статистичне розосередження

Оскільки макроскопічні стани матерії вважаються підсумком поведінки великого числа частинок, вони описуються статистичними способами. Останнє має на увазі з’ясування того, як розподіляються енерговластивості молекул газу.

Розосередження кінетичних швидкостей по Максвеллу відбувається по-різному. Практично він показує, що в рівноважному газі головна безліч молекул містить частини, ближчі до ймовірних

v = √(2kt/m0)

де

  • m0 – маса молекули.

Визначення Больцманом можливих енергій для газів буде перебувати на тлі будь-якої сили, наприклад, гравітації. Це залежить від пропорції 2-х речей:

  • тяжіння до землі;
  • хаотичного термічного переміщення частинок газу.

У підсумку чим менше можливість енергії молекул (ближче до площини планети), тим вище їх зосередження.

Обидва статистичні способи пов’язані з розосередженням Максвелла-Больцмана, що містить експоненціальний коефіцієнт

eE/kT

де

  • E — сума кінетичної і можливої енергій,
  • kT — середня сила термічного зміщення, обумовлена сталою Больцмана.

Формула сталої Больцмана – коефіцієнт, рівний k=1,38 * 10-23 ДжК.

Константа пропорційності незмінна по Больцману. Цей вираз, який визначає зв’язок між мікроскопічним і макроскопічним станами, виражає центральну ідею статистичної механіки.

Стала Больцмана - виведення

Безмежна матерія

З точки зору теорії необмеженого занурення матерії, стала Больцмана є величиною тільки 1-го атомного сенсу. Як показує ідеальний тест фізичних одиниць вимірювання значень, при використанні шкали температури і теплової енергії, що містяться в одиниці кількості речовини, вони вважаються незмінними.

Звідси виділяють дані, що практично використовують температуру як фізичне визначення на одному рівні. Речовини можуть бути перераховані за значенням незмінним зі вступом належних коефіцієнтів схожості. Теоретичним критерієм цієї процедури вважається SPF-симетрія.

Можна отримати визначення зоряного неба і по теорії Планка, воно буде простим мінусом імпульсу об’єктів.

Стала Больцмана визначає асоціація між дієвою температурою великої кількості звичайних зоряних об’єктів як міру термічної енергії і середньої кінетичної при зміщенні. Крім того, що вона пов’язує внутрішню температуру об’єктів з наявною енергією. Такі константи можуть бути розрахованими для будь-якого значення матерії.

В результаті стала Больцмана:

  • дозволяє оцінювати кінетичну температуру частинок;
  • підкреслює ймовірність знаходження і розподілу температури зсередини самих частинок.

Стала Больцмана - опис формули

Вимірювання сталої Больцмана

Вимірювання сталої Больцмана є однією з провідних констант. Це не тільки дозволяє встановити асоціацію між лініями мікроскопічних явищ молекулярного значення з параметрами процесів, що спостерігаються в макросвіті. І справа не тільки в тому, що ця величина включена в ряд значущих рівнянь.

У теперішньому часі незрозуміло, чи є який-небудь речовий принцип добутку, на базі якого він мав би можливість отримати висновок на теоретичному рівні. В інших доктринах нічого не розповідається про це. Насправді сенс цієї константи може бути практично схожим з іншими величинами.

Зміни в фіксації сталої

У 2017 році світова спільнота вимірювань виконала вимоги, щоб дати точне тлумачення сталої Больцмана і перевизначити Кельвін. Акустична термометрія вимірювалася різними дослідницькими групами, і вона використовувалася в остаточному визначенні ПБ для системи СІ, яка була затверджена в листопаді 2018 року. На підставі цих даних значення концентрації залежності KB становить 1,380649 x 10-23Дж к-1.

Хоча Кельвін не був заснований на фізичному артефакті, його зміна також важлива. Більш раннє визначення розмірності було засноване на специфічних властивостях універсальної постійної природи.

Ґрунтуючись на сталій Стефана Больцмана, Кельвін також використовують вчені, використовуючи букву K в обчисленнях. Це дозволяє вимірюванням температури бути дійсно універсальними.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *