Qual è la costante di BOLTZMANN?

Sebbene siano spesso confusi, temperatura ed energia non sono lo stesso concetto. La temperatura, o meglio il calore, è una forma di energia. Poiché energia e temperatura non sono la stessa cosa, per misurare la temperatura di un sistema in unità di energia, a costante fisica: costante di Boltzmann. Ma,qual è la costante di Boltzmann?? In questa lezione di un INSEGNANTE vedremo la definizione della costante di Boltzmann, come si relaziona al lavoro di Planck e per cosa è attualmente utilizzata in fisica.

Indice

1. Teoria della costante di Boltzmann
2. La costante di Boltzmann e l'equazione dei gas perfetti
3. Costante di Boltzmann ed entropia
4. La costante di Boltzmann e la ridefinizione del kelvin (K).

La costante di Boltzmann è valore relativo all'energia cinetica media di un sistema termodinamico o di un oggetto ccon temperatura assoluta dello stesso. In altre parole: questa costante è a Fattore di conversione per convertire la temperatura (gradi), in unità di energia (joule, per esempio).

Sebbene Boltzmann abbia collegato per la prima volta entropia e probabilità nel 1877, apparentemente la relazione non è mai stata espressa attraverso una specifica costante numerica. Era Max planck Oms immesso il valore k per la prima volta, e che ha offerto un valore esatto che, sebbene non sia quello attualmente utilizzato, è abbastanza vicino.

La costante di Boltzmann corrisponde a: 1.380 6488 (13) × 10⁻²³ J/K. Cioè, per ogni grado kelvin che ha un sistema, è equivalente a circa 1.380 6488 × 10⁻²³ joule di energia.

Sebbene pochi conoscano il nome di Boltzmann, oggi la costante che porta il suo nome è indispensabile nel applicazione delle leggi della termodinamica, meccanica statistica e teoria dell'informazione. Di seguito sono riportate alcune delle applicazioni in cui è coinvolta la costante di Boltzmann.

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L'equazione dei gas ideali, che ci permette conoscere la tendenza globale ad un certo comportamento di un sistema gassoso.

L'equazione dei gas perfetti è: PV = nRT

Nell'equazione dei gas ideali, mostrata sopra, abbiamo a costante empirica (determinato da metodi sperimentali), che si chiama "costante di gas "o R. Questa costante deriva in realtà dalla moltiplicazione della costante di Boltzmann per il numero di Avogadro (che descrive il numero di particelle in ogni mole di soluto).

La costante di Boltzmann e la costante dei gas sono essenzialmente le stesse, solo quest'ultima si riferisce a una mole e l'altra no. Questa trasformazione viene eseguita solo per tenere conto dell'energia creata da ciascuna delle particelle all'interno del gas, poiché l'energia creata da una mole di particelle non sarà la stessa di dieci moli di essi.

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Il entropia è molto spesso definito come il grado di disordine molecolare di un sistema, ma questa definizione non è così chiara nella pratica fisica.

L'entropia può essere definita dal punto di vista della meccanica statistica o dal punto di vista della termodinamica, ma entrambi sono in effetti una misura del disordine interno di un sistema. In meccanica statistica, l'entropia ci dice il numero di stati microscopici compatibili con uno stato dato macroscopico mentre in termodinamica l'energia di quel disordine si misura in unità di energia/unità di temperatura.

Per collegare entrambi i concetti, e che l'entropia è coerente secondo la termodinamica e secondo la meccanica quantistica, la costante di Boltzmann viene introdotta nell'equazione per l'entropia meccanica. Questo ci permette di introdurre questo fattore di conversione tra energia e temperatura ed "equalizzare in unità" alla definizione di entropia termodinamica.

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Negli ultimi anni è stata trovata una nuova tecnica per misurare la costante di Boltzmann, che ha permesso di definirne il valore in modo più accurato.

La nuova tecnica si basa su applicazione della spettroscopia di assorbimento laser. Il sistema è semplice da capire: un raggio laser ad anidride carbonica viene fatto passare attraverso una camera piena di ammoniaca gassosa. Questo contenitore viene mantenuto in temperatura per mezzo di un bagno durante l'esperimento.

La frequenza di assorbimento delle molecole di gas subisce a movimento doppler, all'aumentare dell'energia termica delle molecole di gas, che si manifesta nella metà della larghezza della linea di assorbimento. È precisamente la metà larghezza della linea di assorbimento che è correlata alla costante di Boltzmann.

Si ritiene che questa metodologia è più accurato del metodo acustico, che è stato utilizzato fino ad allora per definire la costante di Boltzmann, che sarebbe di grande importanza per prenderla come metodo per definire il grado kelvin.

Cos'è il kelvin (k)

Ai nostri giorni il kelvin è definito come temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua moltiplicato per 1/273,16. Mettere in pratica questa definizione presenta diverse difficoltà metodiche, ad esempio: garantire la composizione isotopica dell'acqua.

Ecco perché diversi autori hanno suggerito cambiamenti nella definizione del kelvin. Credono che la costante di Boltzmann dovrebbe essere fissata e quindi ridefinire il kelvin come il variazione della temperatura termodinamica che risulta dalla variazione di una certa quantità di energia termico. In questo modo sarà anche possibile mettere in relazione l'unità di temperatura con una costante fondamentale, cosa oggi molto comune nelle definizioni di tutte le grandezze.

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• Bauer, W. 2011. Fisica per l'ingegneria e le scienze. Volume 1. Mc Graw Hill.
• Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6°.. Ed Prentice Hall.
• Zapata, F (s.f) Costante di Boltzmann: storia, equazioni, calcolo, esercizi. Recuperato da: https://www.lifeder.com/constante-boltzmann/
• National Metrology Network (7 settembre 2007) Nuova tecnica per misurare la costante di Boltzmann. Recuperato da: http://www.metrologia.cl/link.cgi/Noticias/81
• Quantum Tales (8 ottobre 2011) Costante di Boltzmann e Temperatura. Recuperato da: https://cuentos-cuanticos.com/2011/10/08/constante-de-boltzmann-temperatura/