Boltzmann Ludwig Eduard
 
Encyklopedia PWN
Boltzmann
[bọlcman]
Ludwig Eduard Wymowa, ur. 20 II 1844, Wiedeń, zm. 5 IX 1906, Duino,
fizyk austriacki.
Kalendarium
Urodził się 20 II 1844 w Wiedniu. Ludwig Eduard pochodził z rodziny urzędniczej (jego ojciec był urzędnikiem skarbowym). Początkowo uczył się w domu, później w szkole w Linzu i Wiedniu. Studiował na uniwersytecie w Wiedniu, jego profesorami byli m.in. J. Stefan i J. Loschmidt. W 1866 uzyskał tytuł doktora. W następnym roku rozpoczął pracę jako asystent w Instytucie Fizycznym w Wiedniu. Później był profesorem kilku uniwersytetów: profesorem fizyki teoretycznej w Grazu (1869–73), matematyki w Wiedniu (1873–76), fizyki eksperymentalnej ponownie w Grazu (1876–89), fizyki teoretycznej w Monachium (1889–94), następnie w Wiedniu (1894–1900) i Lipsku (1900–02), w końcu wrócił do macierzystego uniwersytetu w Wiedniu (1902). Był dobrym wykładowcą; podczas jego ciekawych, bardzo starannie przygotowanych wykładów sala zawsze była pełna. Uczony pozostawił ważne prace z wielu dziedzin fizyki, szczególnie ważne były jego osiągnięcia dotyczące kinetycznej teorii gazów, termodynamiki i teorii promieniowania. Zajmowały go także zagadnienia z dziedziny matematyki, chemii, filozofii. Był zwolennikiem teorii K. Darwina.
Boltzmann ożenił się z Henriettą von Aigentler, państwo Boltzmannowie mieli czworo dzieci. Uczony był słabego zdrowia, pod koniec życia miał bardzo słaby wzrok; cierpiał na depresję. Teoria kinetyczno-molekularna spotkała się z bezwzględną krytyką przeciwników atomizmu, zwłaszcza W. Ostwalda, propagującego energetyzm (odrzucający korpuskularne poglądy na budowę materii) i E. Macha. Te ostre polemiki bardzo źle wpłynęły na stan psychiki Boltzmanna. Podczas wakacji, 5 IX 1906 w Duino popełnił samobójstwo. Jego grób znajduje się w Wiedniu, a na nagrobku — obok wyrzeźbionego popiersia — znajduje się słynny wzór S = klnW.
Kinetyczna teoria gazów
Boltzmann miał ogromny wkład w rozwój kinetycznej teorii gazów. W 1868 uczony teoretycznie wyprowadził statystyczne prawo rozkładu energii cząsteczek gazu w zależności od prędkości, stanowiące podstawę klasycznej fizyki statystycznej (statystyki fizyczne) i kinetyczno-molekularnej teorii gazów. Kinetyczna teoria gazów zajmuje się opisem cząsteczek rozrzedzonego gazu. Za pomocą współczynnika przekroju czynnego określa zderzenia binarne cząsteczek gazu i kierunki ich rozproszenia po zderzeniu. W teorii kinetycznej zakłada się, że: średnia odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż efektywny zasięg potencjałów oddziaływań, cząsteczki oddziałują ze sobą wskutek zderzeń, ścianki naczynia, które gaz wypełnia odbijają cząsteczki sprężyście. Stany poszczególnych cząsteczek traktuje się jako statystycznie niezależne (założenie molekularnego chaosu), a gaz opisuje funkcją rozkładu f(r, v, t), dla mikrostanu pojedynczej cząstki (r, v, t — położenie, prędkość, czas); funkcja rozkładu dla wszystkich cząstek jest iloczynem identycznych funkcji rozkładu. Boltzmann opisał ewolucję takiego układu cząstek w czasie. Nieliniowe równanie różniczkowo-całkowe określające ewolucję f jest zwane kinetycznym równaniem Boltzmanna. Równanie Boltzmanna, opisujące rozkład prędkości i położeń cząsteczek gazu rozrzedzonego w stanie nierównowagi, umożliwia obliczanie współczynników kinetycznych i otrzymanie makroskopowych równań procesów transportu (jest stosowane np. do opisu transportu termicznych neutronów w rdzeniu reaktora jądrowego).
Entropia i II zasada termodynamiki
W 1865 R. Clausius wprowadził pojęcie entropii — wielkości (oznaczanej symbolem S) charakteryzującej kierunek przebiegu spontanicznych procesów w układach odosobnionych. Właśnie Boltzmann zdał sobie sprawę, że wzrost entropii odpowiada wzrostowi nieuporządkowania układu. Procesy, w których entropia nie zmienia się, noszą nazwę odwracalnych i mogą zachodzić w dowolnym kierunku. Procesy, w których entropia rośnie noszą nazwę nieodwracalnych i zachodzą w kierunku odpowiadającym globalnemu wyrównywaniu się różnic między częściami układu bądź między układem a jego otoczeniem. W fizyce statystycznej entropia stanu makroskopowego jest tym większa, im większa jest liczba mikrostanów W odpowiadających temu stanowi makroskopowemu, zgodnie ze wzorem S = kB lnW, gdzie kBstała Boltzmanna (w termodynamice statystycznej termin mikrostan oznacza stan układu makroskopowego scharakteryzowany przez opisanie stanu wszystkich jego składników).
Ludwig Eduard Boltzmann podał też jedną z podstawowych zasad kinetyki fizycznej — tzw. twierdzenie H. Według tego twierdzenia istnieje taka funkcja H współrzędnych i pędów cząstek, która w sposób jednoznaczny charakteryzuje stan zamkniętego układu makroskopowego. Funkcja ta maleje monotonicznie w wyniku procesów nieodwracalnych, które zachodzą w układzie i nie zmienia się w stanie równowagi, czyli dH/dt ≤ 0. Twierdzenie to odpowiada II zasadzie termodynamiki, jeśli funkcję H utożsamić z entropią S na jednostkę objętości V, wziętą z przeciwnym znakiem i podzieloną przez stałą Boltzmanna kB, H = −S/V kB. Zmniejszanie się H (i wzrost entropii S) oznacza tendencję układu do przechodzenia od stanów mniej do bardziej prawdopodobnych.
Pierwsze prace Boltzmanna dotyczyły teorii promieniowania. J. Stefan w wyniku licznych doświadczeń stwierdził 1878 zależność energii wypromieniowanej przez ciało doskonale czarne od jego temperatury. Boltzmann na podstawie rozważań termodynamicznych 1884 uzasadnił teoretycznie wzór Stefana (prawo Stefana–Boltzmanna).
zgłoś uwagę

Znaleziono w książkach Grupy PWN

Trwa wyszukiwanie...  
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia