Константа Больцмана. Методы ее определения. Среднее значение энергии частиц

Установить зависимость между константой Больцмана и другими фундаментальными постоянными можно, приравняв величину средней энергии молекул, найденную разными способами.

С этой целью рассмотрим одноатомный идеальный газ, заключенный в кубическую емкость с длиной ребра а.

Пусть молярная масса вещества равна М, а средняя скорость движения молекул газа при температуре Т равна u.

Энергия молекул определяется только кинетической составляющей, равной

,

где NA - постоянная Авогадро (отношение молярной массы к постоянной Авогадро представляет собой массу одной молекулы).

Найдем импульс, получаемый стенкой при нормальном ударе одной молекулы:

.

Для того, чтобы определить число ударов молекул в единицу времени, необходимо учитывать, что движение молекул по каждому координатному направлению равновероятно. Поэтому принимается, что 1/3 молекул движется от одной стенки куба к противоположной и обратно.

Количество вещества n, содержащегося в кубической емкости с объемом а3, найдем по уравнению состояния идеального газа

,

а число молекул составляет

.

Как уже указывалось, 1/3 из этого числа движется в заданном направлении, причем каждая молекула совершает в единицу времени число пробегов от стенки и обратно, которое определяется равенством

.

Следовательно, число ударов всех молекул в единицу времени равно

,

а сила ударов по стенке составляет

.

Давление газа равно

.

Отсюда и средняя энергия одноатомной молекулы составляет

. (11 - 19)

Теперь найдем среднюю энергию молекулы, используя распределение Больцмана. Для этого несколько преобразуем формулу Больцмана.

Вновь обратимся к постулату о равноценности движения по всем направлениям и будем исходить из следующего условия.

Пусть для некоторой части молекул одноатомного газа импульсы находятся в пределах от Px до Px+dPx, от Py до Py+dPy и от Pz до Pz+dPz.

Согласно распределению Больцмана доля этих молекул в общем числе молекул прямо пропорциональна фактору Больцмана . Кроме того, она должна быть прямо пропорциональна выделенному объему поля импульсов dPxdPydPz. Принимая, что число молекул dN с энергией e и заданным объемом поля импульсов dPxdPydPz является очень малой величиной, распределению Больцмана можно придать следующий вид:

. (11 - 20)

В уравнении (11 - 20) s - коэффициент пропорциональности. Для его определения воспользуемся тем, что общее число молекул в системе является постоянной величиной: N=const. Интегрирование уравнения (11 - 20) дает

.

Следовательно,

и распределение молекул одноатомного газа принимает вид:

. (11 - 21)

Уравнение (11 - 21) можно дальше преобразовывать, переходя к полярным координатам.

Элемент объема шарового слоя в полярных координатах равен

.

Зависимость между энергией и импульсами можно представить следующим образом:

или

,

из чего следует для частиц постоянной массы m

.

Заменим элемент объема поля импульсов на величину, определяемую только энергией молекул:

Переход от поля импульсов к распределению по энергии приводит к изменению пределов интегрирования. Скорость молекул может быть положительной и отрицательной, и пределы интегрирования по импульсам могут быть от +¥ до -¥. Энергия может иметь минимальное значение, равное 0 и максимальное - условно равное ¥.

С учетом изложенного получаем

.

Интеграл в приведенном выше уравнении является табличным интегралом следующего типа:

,

где Кроме того, .

Таким образом, уравнение Больцмана для распределения молекул по энергиям в непрерывном спектре можно записать в следующем виде:

. (11 - 22)

Среднее значение какой-либо величины при непрерывном распределении частиц представляет собой деленный на общее число частиц интеграл произведения этой величины на число молекул, обладающих ее значением Х:

.

Среднее значение энергии молекул одноатомного газа определяется по уравнению

(11 - 23)

или с учетом уравнения (11 - 22)

.

Обращаясь вновь к табличному интегралу, найдем

. (11 - 24)

Сравнивая (11 - 19) и (11 - 24), имеем

. (11 - 25)

Молекулы одноатомного идеального газа участвуют только в поступательном движении по трем координатным направлениям. Число направлений движения называется также числом степеней свободы .

В предположении равноценности движения по каждому направлению уравнения (11 - 19) и (11 - 24) позволяют сделать важный вывод:

В идеальном газе на каждую степень свободы приходится энергия, равная 1/2kT.

Многоатомные молекулы кроме поступательного участвуют во вращательном движении. В частности, для двухатомных молекул существуют еще две степени вращательного движения.

Следовательно, энергия молекул двухатомного идеального газа равна 5/2kT.

Внутренняя энергия идеального газа определяется только кинетической составляющей молекул. Для одного моля частиц

.

В связи с этим производные внутренней энергии по температуре при постоянном объеме таковы:

(11 - 26)

Уравнения (11 - 26) объясняют природу теплоемкости идеального газа.








Дата добавления: 2015-07-24; просмотров: 1075;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.01 сек.