玻尔兹曼常数(Boltzmann constant)(k或kB)是有关于温度及能量的一个物理常数。玻尔兹曼是一个奥地利物理学家,在统计力学的理论有重大贡献,玻尔兹曼常数具有相当重要的地位。
基础定义
玻尔兹曼常量系热力学的一个基本常量,记为“k”,数值为:k=1.380649 × 10-23J/K,玻尔兹曼常量可以推导得到:理想气体常数R等于玻尔兹曼常数乘以阿伏伽德罗常数(即R=k·NA)。
2018年11月16日,国际计量大会通过决议,1开尔文定义为“对应玻尔兹曼常数为1.380649×10-23J/K的热力学温度”1。新的定义于2019年5月20日起正式生效1。
应用举例
熵函数
熵可以定义为玻尔兹曼常数乘以系统分子的状态数的对数值:
S=k㏑Ω
这个公式是统计学的中心概念。系统某一宏观态对应的微观态数愈多,即它的混乱度愈大,则该状态的熵也愈大。因而熵是表征系统状态无序度的物理量。
理想气体常数
理想气体常数等于玻尔兹曼常数与阿伏伽德罗常数的乘积:
R=kN
理想气体温度
理想气体的压强公式为p=(1/3)Nmv2/V=(2N/3V)Ek,V为体积。而理想气体状态方程P=N/V*(R/N0)*T,其中N为分子数,N’为阿伏加德罗常数,定义R/N’为玻尔兹曼常数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。
考虑到粒子的运动有三个自由度(x,y,z),在单个自由度上的粒子动能为总动能的1/3,
则有Ekx=Eky=Ekz=(1/2)kT,
可以看到: