玻爾茲曼常量檢視原始碼討論檢視歷史

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玻爾茲曼常量是中國的一個科技名詞。

為什麼漢字是方塊字，這個問題雖然沒有明確的考證，但從古人觀察世界的方式中便可窺見一斑。《淮南子·覽冥訓》說：「往古之時，四極廢，九州裂。天不兼覆，地不周載，火炎炎而不滅，水浩洋而不息，猛獸……於是女媧煉五色石以補蒼天，斷鰲足以立四極。」在古人心目中，「天圓地方」，地是方形的，而且在這四方形地的盡頭，還有撐着的柱子。

名詞解釋

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）。

2018年11月16日，國際計量大會通過決議，1開爾文定義為「對應玻爾茲曼常數為1.380649×10-23J/K的熱力學溫度」

。新的定義於2019年5月20日起正式生效

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為熱力學溫度。

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 ：

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。

3.除碰撞瞬間外，分子間的相互作用力可忽略不計，重力的影響也可忽略不計。因此在相鄰兩次碰撞之間，分子做勻速直線運動。單個分子在一次碰撞中對器壁上單位面積的衝量：

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，

p=(1/3)N·m·v²/V=(2N/3V)Ek。V為體積。該式即為理想氣體的壓強公式。

而理想氣體狀態方程P=N/V×(R/N')×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，有：P=NkT╱V，即：PV=nRT=nN'kT=NkT.

上述所有的v為粒子的平均速率，Ek為平均平動動能。

應用

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。

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

理想氣體溫度

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：

①溫度完全由氣體分子運動的平均平動動能決定

。也就是說，宏觀測量的溫度完全和微觀的分子運動的平均平動動能相對應，或者說，大量分子的平均平動動能的統計表現就是溫度（如果只考慮分子的平動的話）。

②如果已知氣體的溫度，就可以反過來求出處在這個溫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。