Warum ist die Boltzmann konstante konstant?

2 Antworten

In der Näherung der idealen Gase hat das Gasteilchen keine innere Struktur, sondern nur Masse. Das ist in guter Näherung für die Edelgase erfüllt, und daher ist die innere Energie von Edelgasen wirklich mit der allgemeinen Formel E=3⁄2kT (pro Teilchen) be­schreibbar, oder anders gesagt, die Wärmekapazität ist einfach 3⁄2k.

Bereits bei zweiatomigen Gasen wir H₂ oder N₂ ist das nicht mehr der Fall; die haben ja innere Freiheitsgrade (sie können rotieren und je nach Temperatur auch schwin­gen). Meistens bleibt man innerhalb der Näherung für ideale Gase, indem man die Wechsel­wirkung der Gasteilchen untereinander ignoriert, und und nur Korrekturen für die innere Struktur der Moleküle anbringt. Diese Korrekturen sind dann strikt additiv.

Für die Rotation kann man bei Raumtemperatur immer annehmen, daß der Bei­trag zur Wärmekapazität ½k pro Rotationsfreiheitsgrad ist (davon gibt es bei linearen Mole­kü­len 2 und bei anderen 3). Deshalb hat H₂, das wegen der starken Bindung und der ge­ringen Masse bei Raumtemperatur kaum schwingt, die Wärmekapazität ≈5⁄2k.

Bei Schwingungen ist es komplizierter. Im Rahmen der Näherung des harmonischen Oszillators muß die Wärmekapazität pro Schwingungsfreiheitsgrad und Molekül zwi­schen Null (Tieftemperaturlimit) und k (Hochtemperaturlimit) liegen; Moleküle haben aber typischerweise viele Schwingungen, und die meisten liefern irgendwelche Bei­trä­ge dazwischen. Wenn man die Schwingungfrequenz des Moleküls kennt, kann man den Beitrag pro Freiheitsgrad sogar mit einer einfachen Formel berechnen.

Da viele Schwingungen aber nicht gut als harmonisch betrachtet werden können, wird es in der Praxis aber wesentlich komplizierter, und letztlich wird man deutlich mehr Auf­wand betreiben müssen. Noch viel schlimmer wird es, wenn man die Näherung des idealen Gases gänzlich über den Haufen wirft und das endliche Volumen und die langreich­weitigen Wechsel­wirkungen der Moleküle berücksichtigt. Dazu greift man oft auf empirische Schummelparameter (van-der-Waals-Gleichung) zurück, weil das Problem anderweitig fast nicht mehr handzuhaben ist.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Chemiestudium mit Diss über Quanten­chemie und Thermodynamik
Von Experte LeBonyt bestätigt

pV = NkT gilt für ideale Gase, die alle die gleiche Wärmekapazität haben, weil Temperatur einfach ein statistischer Durchschnittswert für kinetische und potentielle Energie der Teilchen ist. Verschiedene Gase haben nur verschiedene Teilchenmassen und damit verschiedene Teilchengeschwindigkeiten bei gleicher kinetischer Energie.