بحث عن ثابت بولتزمان في الفيزياء

بحث عن ثابت بولتزمان في الفيزياء، تعد الفيزياء من العلوم المتميزة والتي تبحث حول تفسير الأشياء التي توجد في الكون، ويعتبر من العلوم التي لها قواعد متميزة، ويعد علماء الفيزياء أحد أهم المسببات في اكتشاف الكثير من الأشياء حولنا، ومن هؤلاء العلماء بولتزمان الذي وضع عدد من الثوابت التي يتم استخدامها الآن في عالم الفيزياء.

مقدمة بحث عن ثابت بولتزمان في الفيزياء

تعتبر علم الفيزياء واحدة من العلوم التي لا يمكن الاستغناء عنها في الحالة اليومية، فهي تقوم بتفسير الأشياء من حولنا، كما يعتبر علم الفيزياء السبب الرئيسي في اكتشاف العديد من الأشياء، ومن أهم هذه الاكتشافات ثابت بولتزمان الذي يعتبر من القوانين التي لها استخدامات كثيرة.

شاهد أيضًا: موضوع تعبير عن علماء الفيزياء كامل

ما هو قانون ستيفان _ بولتزمان؟

• تم اكتشاف قانون ستيفان بولتزمان على يد العالم ستفان وذلك في عام 1879 م، وهذا القانون كان بشكل تجريبي، ولكن العالم النمساوي بولتزمان هو من قام ببرهانه بطريقة رياضي وذلك في عام 1884، وذلك من خلال الاعتماد على عمليات ترموديناميكية دقيقة.
• وترمز هذه العمليات الترموديناميكية إلى أنها عبارة عن عملية التغير التي تحدث في نظام الحركة الحراري، وذلك من حالة إلى حالة أخرى.
• ووضع مثال على ذلك وهو رفع درجة حرارة النظام.
• ويعد هذا القانون هو البداية التي من خلالها تم التوصل إلى قوانين الحرارة التي من المتوقع أن تكون الأرض عليها، وذلك في حالة خضوع الأرض لقانون الجسم الأسود.
• كما قام عدد من العلماء بإجراء عدد من الاشتقاقات الرياضية، والتي نتج عنها عندما تتم المقارنة بين درجة الحرارة الفعالة التي تنتج عن الأرض وبما عليها الأرض بالفعل، تم اكتشاف أن درجة حرارة الأرض تزيد بمقدار 33 درجة.
• وبالرغم من ذلك تكون متوسط درجة حرارة سطح الأرض تكون 15 درجة مئوية، ويرجع ذلك إلى هذا الاختلاف والتباين ينتج بسبب الغازات الدفيئة والتي تعمل على حبس درجة حرارة الأرض، مما يؤدي إلى حدوث خلل في قانون الاتزان.
• وعندما تشارك العالم بولتزمان مع ستيفان أدى ذلك إلى تطوير كبير في القانون وإثبات صحة هذا القانون، فأصبح يشار إليها على أنه قانون ستيفان بولتزمان.
• ينص القانون العام على “أن مجموع الطاقة الكلية التي تخرج من الجسم الأسود، بالإضافة إلى مجموع أطوالها الموجية، من الممكن أن تزداد على حسب درجة حرارة الجسم وكذلك مساحته، بحيث تتناسب مع القوة الرابعة”.

ما هو الجسم الأسود؟

• الجسم الأسود المشار إليه في القانون هو إشارة إلى الجسم الأسود في الحالة المثالية، وذلك الجسم يقوم بامتصاص كل الضوء الذي يأتي إليه، وذلك دون أن يكون هناك انعكاس لأي شيء منه.
• ومن الشكل النظري فهذا يشير إلى أن هذا الجسم يجب أن يكون شديد السواد، وألا يتم إصدار أي شعاع منه ولكن من الناحية الواقعية هذا لا يمكن.
• حيث أن الجسم الأسود واقعيًا يقوم بإصدار شعاع حراري، ومن الممكن أن يكون على شكل ضوء في بعض الأحيان.
• ويمكن أن يتم تطبيق ذلك من خلال ثقب صغير في تجويف ما، بشرط أن تكون درجة حرارة هذا التجويف ثابتة.
• ويرجع ذلك إلى أنه في حالة سقوط أي إشعاع على الثقب، فإن التجويف سوف يمتصه، وذلك بعد أن يحدث له عدة انعكاسات بالداخل.
• ولذلك يمكن تسمية الإشعاع الذي يخرج من الثقب الموجود في تجويف الجدار باسم إشعاع الجسم الأسود.
• كما أن هذا الجسم في هذا الحالة يعتبر بمثابة الجسم المثالي ومن خلاله تتحقق 3 شروط وهم:
• أن كل إشعاع كهرومغناطيسي يمكنه امتصاص الضوء الذي يسقط عليه.
• الجسم الأسود يتمكن من شع إشعاع حراري بحيث يتناسب مع حرارته في كل الأطوال الموجية.
• الإشعاع الصادر عن الجسم الأسود يكون متساوي في كل الاتجاهات، حيث أنه خواصه متحدة.

ثابت بولتزمان

• ثابت بولتزمان هو واحد من الثوابت الفيزيائية والذي يقوم بالتعرف على العلاقة بين كل طاقة الجزيء أو طاقة الذرة وذلك في الحالة الغازية وبين درجة الحرارة.
• حيث يعطي الثابت بمجرد أن يتم التعرف على درجة حرارة الغاز فإنه يمكن استنتاج متوسط طاقة الحركة لكي من الجزيء والذرة في الغاز.
• وهذا القانون هو عبارة عن حاصل قسمة ثابت الغاز ويعرف بـ R على عدد أفوجادرو ويرمز له NA.
• القانون هو: NA/K=R
• ثابت الغازات (R) = 8.314 جول/ كلفن/ مول.
• 6,022 ×1023= NA.
• ويشار إلى أن ثابت بولتزمان هو نفس وحدات الإنتروبية، وهو عبارة عن ثابت يعرف على اسم العالم النمساوي لودفيغ بولتزمان.

شاهد أيضًا: بحث عن درجة الحرارة والطاقة الحرارية في الفيزياء

الجزيئات في الحالة الغازية

• يعرف ثابت بولتزمان على أنه الحلقة التي تكون بين الجزيئات وبين خصائص الحالة الغازية.
• حيث يشير قانون الغازات إلى أن القانون الذي يستخدم في حالة الغاز المثالي إلى أن “حاصل ضرب ضغط الغاز ((P في حجم الغاز V)) يتناسب مع كمية المادة (n) وكذلك درجة الحرارة المطلقة (T).
• القانون هو: Pv = Nrt.
• كيفية توزيع الطاقة بين الذرات
• يتم افتراض أن هناك غاز تم عزله تحت درجة حرارة مطلقة ((T، فحينئذ فإن كل ذرة موجودة في الغاز سوف تحصل على طاقة حركة متوسطة، بحيث يقدر بـ. kT/2
• وهذا يناسب كل اتجاه للذرة من المتوقع أن تقوم بالتحرك فيه.
• وعلى اعتبار أن الذرة تشبه النقطة الكروية، فيكون لها 3 اتجاهات بحيث تتحرك فيهم والمحاور تكون ” س، ص وع”.
• ويمكن أن يتم حسابه طاقة حركة الذرة في الغاز بشكل مبسط، مما ينتج عنه إلى أن الناتج يكون 5و1 Kt، أي أن 2.07×10−21 جدول.

توزيع الطاقة بين الجزيئات

• في حالة تطبيق القانون على غاز مثالي، بحيث يكون هذا الغاز يتكون من ذرات منفردة، بحيث تكون نقطية الشكل، بالإضافة إلى أن حجم هذه الذرات تكون ذات حجم مهمل بالنسبة لحجم الغاز، وبذلك تحصل على درجات متحررة من الحركة.
• ويوجد 3 محاور لاتجاهات حركة الذرة على المحاور “س، ص، ع”.
• طاقة حركة الذرة =
• وبشكل عام يمكن الاعتماد على هذه المعادلة لحالة تكون الغاز من الجزيئات، وعلى افتراض أن كل جزيء له F إمكانية للحركة، فإن متوسط طاقة حركة الجزيء يكون كالتالي:
• ومن هذا يتضح أن إمكانية حركة الجزيء الذي يتكون من ذرتين هي 3 إمكانيات الحركة التي تتم في الثلاث محاور.
• كما أن 2 إمكانية الحركة الدورانية للجزيء حول “مركز الثقل”، وكذلك حركة واحدة اهتزازية خلال الرباط، عندئذ تكون:
• متوسط طاقة حركة الجزيء =
• كما أن درجات الحرية بالنسبة لحركة الجزيئات التي تتركب من 3 ذرات أو فيما أزيد يحدث لها زيادة.
• ومن هذا نستنتج أن الحرارة النوعية للماء تكون عالية بشكل نسبي، وهذا يرجع إلى أن جزيء الماء في شكل مثلث.
• كما أنه بالإضافة إلى الحركة الدورانية والانتقالية له، فيوجد أيضًا عدد كبير من الحركات الاهتزازية.
• لهذا نجد أن الحرارة النوعية للماء عالية نسبيًا لأن جزيء الماء مثلث الشكل، وبالإضافة لحركته الانتقالية والدورانية فله عدد كبير آخر من الحركات الاهتزازية

شاهد أيضًا: بحث عن الاتزان الكيميائي والديناميكي في الفيزياء

خاتمة بحث عن ثابت بولتزمان في الفيزياء

الفيزياء عالم كبير للغاية لا يمكن معرفته إلا من خلال دراسته والغوص فيه، ولكن ما نقوله للشباب أن يتعرفوا على قوانين الفيزياء الرائعة بحيث يمكن التعرف على الظواهر التي تحدث أمام أعيننا، وثابت بولتزمان من هذه القوانين الشيقة التي يجب معرفتها.