بحث عن ثابت بولتزمان في الفيزياء

البحث عن ثابت بولتزمان في الفيزياء. الفيزياء من أشهر العلوم التي تسعى لشرح الأشياء الموجودة في الكون. أحد الثوابت المستخدمة الآن في عالم الفيزياء.

مقدمة لدراسة ثابت بولتزمان في الفيزياء

قوانين فيزيائية لها تطبيقات عديدة.

اقرأ أيضًا: موضوع التعبير للفيزيائيين مكتمل

ما هو قانون ستيفان بولتزمان؟

اكتشف العالم ستيفان بولتزمان قانون ستيفان بولتزمان في عام 1879 م وكان هذا القانون تجريبيًا، لكن بولتزمان النمساوي هو الذي أثبته رياضياً في عام 1884 بناءً على عمليات ديناميكية حرارية دقيقة.
ترمز هذه العمليات الديناميكية الحرارية إلى أنها عملية تغيير تحدث في نظام الحركة الحرارية، من حالة إلى أخرى.
مثال على ذلك هو زيادة درجة حرارة النظام.
هذا القانون هو البداية التي من خلالها تم الوصول إلى قوانين الحرارة التي يجب أن تكون عليها الأرض، إذا كانت الأرض تخضع لقانون الجسم الأسود.
كما توصل عدد من العلماء إلى عدد من الاستنتاجات الرياضية، ونتيجة لذلك، عند مقارنة درجة الحرارة الفعالة الناشئة عن الأرض وتلك التي تقع عليها الأرض، وجد أن درجة حرارة الأرض تزداد بمقدار 33 درجة.
وعلى الرغم من ذلك فإن متوسط درجة حرارة سطح الأرض هو 15 درجة مئوية، ويرجع ذلك إلى هذا الاختلاف والتفاوت الذي تسببه غازات الاحتباس الحراري التي تحدد درجة حرارة الأرض مما يؤدي إلى خلل في قانون التوازن.
وعندما أصبح العالم شريكًا لستيفان بولتزمان، أدى ذلك إلى تطور كبير في القانون وأثبت صحة هذا القانون، وأصبح يعرف باسم قانون ستيفان بولتزمان.
ينص قانون عام على أن “مجموع الطاقة الكلية المنبعثة من الجسم الأسود، بالإضافة إلى مجموع أطوال موجته، قد تزداد مع درجة حرارة الجسم وكذلك مساحته، بحيث يتناسب مع القوة الرابعة. “

ما هو الجسم الأسود؟

الجسم الأسود المشار إليه في القانون هو إشارة إلى الجسم الأسود في حالة مثالية، وهذا الجسم يمتص كل الضوء الذي يسقط عليه دون أن يعكسه.
من الناحية النظرية، هذا يعني أن هذا الجسم يجب أن يكون شديد السواد ولا ينبغي أن يصدر أشعة، لكن في الواقع لا يمكن أن يكون هذا هو الحال.
في الواقع، يُصدر الجسم الأسود شعاعًا حراريًا، والذي يمكن أن يكون أحيانًا على شكل ضوء.
يمكن تطبيقه من خلال ثقب صغير في التجويف بشرط أن تكون درجة الحرارة في ذلك التجويف ثابتة.
هذا لأنه إذا ضرب أي إشعاع الثقب، فسوف يمتصه التجويف، مما يؤدي إلى انعكاسات متعددة في الداخل.
لذلك، فإن الإشعاع الذي يخرج من الفتحة في تجويف الجدار يمكن أن يسمى إشعاع الجسم الأسود.
بالإضافة إلى أن هذا الجسم في هذه الحالة يعتبر جسداً مثالياً، ومن خلاله تتحقق 3 شروط، وهي:
أن كل الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكنه امتصاص الضوء الساقط عليه.
يمكن أن يصدر الجسم الأسود إشعاعًا حراريًا يتناسب مع درجة حرارته في جميع الأطوال الموجية.
إشعاع الجسم الأسود هو نفسه في جميع الاتجاهات، حيث أن له خصائص متماسكة.

ثابت بولتزمان

ثابت بولتزمان هو أحد الثوابت الفيزيائية التي تحدد العلاقة بين الطاقة الكلية للجزيء أو طاقة الذرة في الحالة الغازية ودرجة الحرارة.
عندما يتم إعطاء ثابت، بمجرد معرفة درجة حرارة الغاز، يمكن اشتقاق متوسط الطاقة الحركية للجزيئات والذرات في الغاز.
هذا القانون هو نتاج قسمة ثابت الغاز، المعروف باسم R، على رقم أفوجادرو، والمشار إليه بـ NA.
القانون: NA / K = R
ثابت الغاز (R) = 8.314 جول / كلفن / مول.
6022 × 1023 = هذا كل ما في الأمر.
يشار إلى أن ثابت بولتزمان يتزامن مع وحدات الإنتروبيا، وهو ثابت معروف باسم العالم النمساوي لودفيج بولتزمان.

أنظر أيضا: دراسة درجة الحرارة والطاقة الحرارية في الفيزياء

الجزيئات في حالة غازية

يُعرَّف ثابت بولتزمان بأنه حلقة بين الجزيئات وخصائص الحالة الغازية.
حيث ينص قانون الغاز على أن القانون المستخدم في حالة الغاز المثالي ينص على أن “ناتج ضغط الغاز ((P مضروبًا في حجم الغاز V)) يتناسب مع كمية المادة (n) وأيضًا لدرجة الحرارة المطلقة (T).
القانون كما يلي: Pv = Nrt.
كيف يتم توزيع الطاقة بين الذرات؟
لنفترض أن هناك غازًا تم عزله عند درجة حرارة مطلقة ((T)، فإن كل ذرة موجودة في الغاز سيكون لها متوسط طاقة حركية تقدر بـ kT / 2.
هذا مناسب لجميع الاتجاهات التي يتوقع أن تتحرك الذرة فيها.
وإذا اعتبرنا أن الذرة مثل نقطة كروية، فإن لها 3 اتجاهات، لذا فهي تتحرك فيها، ومحاور “س، ص، ص”.
يمكن حسابها ببساطة باستخدام الطاقة الحركية لذرة في الغاز، ونتيجة لذلك تكون النتيجة 1 و 5 كيلو طن، أي 2.07 × 10−21 جدول.

توزيع الطاقة بين الجزيئات

إذا قمت بتطبيق القانون على غاز مثالي، بحيث يتكون هذا الغاز من ذرات فردية، بحيث يكون لها شكل نقطي، بالإضافة إلى حقيقة أن حجم هذه الذرات لا يكاد يذكر بالنسبة لحجم الغاز، وبذلك تحصل على درجات من الحرية في الحركة.
يوجد على المحاور “x، y، z” 3 محاور لاتجاهات حركة الذرة.
الطاقة الحركية للذرة =
بشكل عام، يمكن الاعتماد على هذه المعادلة في حالة وجود غاز من الجزيئات، وإذا افترضنا أن كل جزيء لديه إمكانية الحركة F، فإن متوسط الطاقة الحركية للجزيء سيكون:
من هذا يمكن أن نرى أن إمكانية حركة جزيء يتكون من ذرتين هي 3 احتمالات للحركة التي تحدث على طول ثلاثة محاور.
2 إمكانية الحركة الدورانية للجزيء حول “مركز الثقل”، بالإضافة إلى الحركة التذبذبية عبر الرابطة، هي:
متوسط الطاقة الحركية للجزيء =
كما تزداد درجات الحرية لحركة الجزيئات المكونة من 3 ذرات أو أكثر.
من هذا نستنتج أن الحرارة النوعية للماء مرتفعة نسبيًا، وهذا يرجع إلى حقيقة أن جزيء الماء له شكل مثلث.
بالإضافة إلى الحركة الدورانية والحركة الانتقالية، يوجد أيضًا عدد كبير من الحركات المتذبذبة.
لذلك، نجد أن الحرارة النوعية للماء مرتفعة نسبيًا لأن جزيء الماء ثلاثي الشكل، بالإضافة إلى الحركة الانتقالية والدورانية، فإنه يحتوي على عدد كبير من الحركات الاهتزازية الأخرى.

أنظر أيضا: دراسة التوازن الكيميائي والديناميكي في الفيزياء

اختتام دراسة ثابت بولتزمان في الفيزياء

الفيزياء عالم كبير جدًا لا يمكن معرفته إلا من خلال الدراسة والغوص فيه، ولكن ما نقول للشباب هو التعرف على قوانين الفيزياء الرائعة حتى يتمكنوا من التعرف على الظواهر التي تحدث أمام أعيننا وثابت بولتزمان هو أحد تلك القوانين المثيرة للاهتمام التي يجب معرفتها.