Loschmidt-Konstante: Unterschied zwischen den Versionen
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| WertSI = <math> | | WertSI = {{ZahlExp|2,686780111|25|suffix=...|post=<math>\textstyle \frac{1}{\mathrm{m^3}}</math>}}<ref name="CODATAn0std">{{internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?n0std |hrsg=National Institute of Standards and Technology |titel=CODATA Recommended Values |zugriff=2019-07-20}} Der Wert für die Loschmidt-Konstante ist exakt, d. h. mit keiner Messunsicherheit behaftet. Allerdings besitzt der Zahlenwert als Quotient von exakten Zahlen keine endliche Dezimalstellendarstellung und muss daher mit ... abgekürzt werden.</ref> | ||
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Die '''Loschmidt-Konstante''' <math>n_0</math> (manchmal auch mit <math>N_\mathrm{L}</math> bezeichnet) ist eine nach [[ | Die '''Loschmidt-Konstante''' <math>n_0</math> (manchmal auch mit <math>N_\mathrm{L}</math> bezeichnet) ist eine nach [[Josef Loschmidt]] benannte [[physikalische Konstante]], die die Anzahl <math>N</math> der [[Molekül]]e pro Volumen <math>V_0</math> eines [[Ideales Gas|idealen Gases]] unter [[Normalbedingungen]] (T<sub>0</sub> = 273,15 K = 0 °C) und (p<sub>0</sub> = 101,325 kPa) angibt. | ||
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== Zusammenhang mit anderen Größen und Wert == | |||
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wobei ''p''<sub>0</sub> = 101 325 [[Pascal (Einheit)|Pa]] der Normaldruck und ''T''<sub>0</sub> = 273,15 [[Kelvin|K]] die Normaltemperatur sind. | |||
Die Boltzmann-Konstante legt die Temperaturskala fest und ist als exakter Wert definiert. Dadurch hat auch die Loschmidt-Konstante einen exakten<ref name="CODATAn0std" /> Wert: | |||
:<math>\begin{align}n_0 & = \frac{101\,325\; \mathrm{Pa}}{1{,}380\,649 \cdot 10^{-23}\; \mathrm{J/K} \cdot 273{,}15\; \mathrm{K}} & = \ & \frac{1{,}01325}{1{,}380649\cdot 2{,}7315} \cdot 10^{24} \mathrm{\frac{Pa}{J}}\\ | |||
& = \frac{1{,}01325}{1{,}380649\cdot 2{,}7315} \cdot 10^{24} \mathrm{\frac{N/m^2}{N \cdot m}} & = \ & 2{,}686\,780\,111\,\ldots \cdot 10^{25}\; \mathrm{m}^{-3}\end{align}</math>. | |||
Vor der [[Internationales Einheitensystem#Neudefinition2019|Revision des Internationalen Einheitensystems]] 2019 musste die Loschmidt-Konstante experimentell bestimmt werden und war mit einem Messfehler behaftet. | |||
Die Loschmidt-Konstante hängt mit der [[Avogadro-Konstante]] ''N''<sub>A</sub> über das [[Molares Volumen eines idealen Gases|molare Volumen eines idealen Gases]] unter Normalbedingungen, ''V''<sub>m0</sub>, über | |||
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zusammen. Der Zusammenhang kann auch über die [[universelle Gaskonstante]] ''R'' ausgedrückt werden: | |||
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:<math>n_0 = N_\mathrm{A} \cdot \frac{p_0}{R \cdot T_0}</math> | :<math>n_0 = N_\mathrm{A} \cdot \frac{p_0}{R \cdot T_0}</math> | ||
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Der italienische Physiker [[Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro|Amedeo Avogadro]] postulierte 1811, dass gleiche Volumina verschiedener idealer Gase die gleiche Zahl Moleküle enthalten ([[Avogadrosches Gesetz]]). | Der italienische Physiker [[Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro|Amedeo Avogadro]] postulierte 1811, dass gleiche Volumina verschiedener idealer Gase die gleiche Zahl Moleküle enthalten ([[Avogadrosches Gesetz]]). | ||
Erstmals gelang es 1865 (nach Avogadros Tod) dem österreichischen Physiker und Chemiker [[Johann Josef Loschmidt|Josef Loschmidt]] diese Zahl an Molekülen größenordnungsmäßig zu bestimmen (siehe [[#Loschmidts Arbeit „Zur Größe der Luftmoleküle“|„Zur Größe der Luftmoleküle“]]). Loschmidts Schüler und späterer Freund [[Ludwig Boltzmann]] benannte die von Loschmidts Ergebnissen abgeleitete [[Teilchenzahl]] der Moleküle eines idealen Gases bei [[Normaldruck]] und [[Normaltemperatur]] pro Volumen als Loschmidt-''Konstante'' <math>n_0</math>. Die Loschmidt-Konstante multipliziert mit der CGS-Einheit Kubik''zentimeter'' (cm<sup>3</sup>) wird als '' | Erstmals gelang es 1865 (nach Avogadros Tod) dem österreichischen Physiker und Chemiker [[Johann Josef Loschmidt|Josef Loschmidt]], diese Zahl an Molekülen größenordnungsmäßig zu bestimmen (siehe [[#Loschmidts Arbeit „Zur Größe der Luftmoleküle“|„Zur Größe der Luftmoleküle“]]). Loschmidts Schüler und späterer Freund [[Ludwig Boltzmann]] benannte die von Loschmidts Ergebnissen abgeleitete [[Teilchenzahl]] der Moleküle eines idealen Gases bei [[Normaldruck]] und [[Normaltemperatur]] pro Volumen als Loschmidt-''Konstante'' <math>n_0</math>. Die Loschmidt-Konstante multipliziert mit der CGS-Einheit Kubik''zentimeter'' (cm<sup>3</sup>) wird als ''Loschmidt’sche Zahl (im Gauß’schen CGS-System)'' <math>\left\{ n_0 \right\}_\mathrm{CGS}</math> bezeichnet: | ||
:<math>n_0 = \left\{ n_0 \right\}_\mathrm{CGS} \, \frac{1}{\mathrm{cm}^{3}}</math> | :<math>n_0 = \left\{ n_0 \right\}_\mathrm{CGS} \, \frac{1}{\mathrm{cm}^{3}}</math> | ||
1909 (nachdem sowohl Loschmidt als auch Avogadro bereits verstorben waren) schlug der französische Chemiker [[Jean-Baptiste Perrin]] die Angabe der Größe nicht als Teilchenzahl pro Volumen, sondern als Teilchenzahl pro [[Mol]] unter dem Namen ''Avogadro-Zahl'' vor. Die ''Avogadro-Zahl (im [[Internationales Einheitensystem|Internationalen Einheitensystem (SI)]])'' <math>\left\{ N_\mathrm{A} \right\}_\mathrm{SI}</math> gibt demnach an, aus wie vielen Teilchen eine Stoffmenge von 1 mol besteht. Im deutschsprachigen Raum wurde der Name '' | 1909 (nachdem sowohl Loschmidt als auch Avogadro bereits verstorben waren) schlug der französische Chemiker [[Jean-Baptiste Perrin]] die Angabe der Größe nicht als Teilchenzahl pro Volumen, sondern als Teilchenzahl pro [[Mol]] unter dem Namen ''Avogadro-Zahl'' vor. Die ''Avogadro-Zahl (im [[Internationales Einheitensystem|Internationalen Einheitensystem (SI)]])'' <math>\left\{ N_\mathrm{A} \right\}_\mathrm{SI}</math> gibt demnach an, aus wie vielen Teilchen eine Stoffmenge von 1 mol besteht. Im deutschsprachigen Raum wurde der Name ''Loschmidt’sche Zahl'' oder ''Loschmidt-Zahl'' und das Formelzeichen ''L'' weiter verwendet, jedoch nun mit einer anderen Bedeutung, nämlich als Synonym für ''Avogadro-Zahl'' bzw. [[Avogadro-Konstante]]. | ||
Die ''Avogadro-Zahl'' im SI <math>\left\{ N_\mathrm{A} \right\}_\mathrm{SI}</math> multipliziert mit der SI-Einheit mol<sup>−1</sup> ist die (physikalische Größe der) ''Avogadro-Konstante'' <math>N_\mathrm{A}</math>: | Die ''Avogadro-Zahl'' im SI <math>\left\{ N_\mathrm{A} \right\}_\mathrm{SI}</math> multipliziert mit der SI-Einheit mol<sup>−1</sup> ist die (physikalische Größe der) ''Avogadro-Konstante'' <math>N_\mathrm{A}</math>: | ||
:<math>N_\mathrm{A} = \left\{ N_\mathrm{A} \right\}_\mathrm{SI} \frac{1}{\mathrm{mol}}</math> | :<math>N_\mathrm{A} = \left\{ N_\mathrm{A} \right\}_\mathrm{SI} \frac{1}{\mathrm{mol}}</math> | ||
Die Avogadro-Konstante (nicht die Loschmidt-Konstante) wird verwendet, um molekulare auf molare Größen umzuformen. In den [[CODATA]]-Empfehlungen für physikalische Konstanten ist die Loschmidt-Konstante seit der CODATA-1986-Publikation enthalten. | Die Avogadro-Konstante (nicht die Loschmidt-Konstante) wird verwendet, um molekulare auf molare Größen umzuformen. In den [[CODATA]]-Empfehlungen für physikalische Konstanten ist die Loschmidt-Konstante seit der CODATA-1986-Publikation enthalten. | ||
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== Loschmidts Arbeit „Zur Größe der Luftmoleküle“ == | == Loschmidts Arbeit „Zur Größe der Luftmoleküle“ == | ||
Die Arbeit, in der Loschmidt 1865 die später nach ihm benannte | Die Arbeit, in der Loschmidt 1865 die später nach ihm benannte Loschmidt’sche Zahl ermittelte, wurde 1866 als Artikel „Zur Grösse der Luftmoleküle“ <ref>Josef Loschmidt: „Zur Grösse der Luftmoleküle“ in ''Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien'', 52, Abt. II, S. 395–413 (1866), {{Google Buch | ||
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}}.</ref> veröffentlicht. Sie baute auf der [[Kinetische Gastheorie|kinetischen Gastheorie]] und diesbezüglichen Ergebnisse von [[Rudolf Clausius|Clausius]], [[James Clerk Maxwell|Maxwell]] und [[Oskar Emil Meyer]] auf. Loschmidt definierte dort zwar die ''Anzahl der in der Volumeinheit enthaltenen Luftmoleküle'', einen Zahlenwert hierfür gab er jedoch nicht an. Ziel seiner Arbeit war eine vorläufige Annäherung der ''Größe des Durchmessers der Luftmoleküle'' unter Normalbedingungen, hier '' | }}.</ref> veröffentlicht. Sie baute auf der [[Kinetische Gastheorie|kinetischen Gastheorie]] und diesbezüglichen Ergebnisse von [[Rudolf Clausius|Clausius]], [[James Clerk Maxwell|Maxwell]] und [[Oskar Emil Meyer]] auf. Loschmidt definierte dort zwar die ''Anzahl der in der Volumeinheit enthaltenen Luftmoleküle'', einen Zahlenwert hierfür gab er jedoch nicht an. Ziel seiner Arbeit war eine vorläufige Annäherung der ''Größe des Durchmessers der Luftmoleküle'' unter Normalbedingungen, hier ''Loschmidt’scher Moleküldurchmesser'' ''s''<sub>0</sub> eines idealen Gases genannt. ''s''<sub>0</sub> wurde aus einem sog. „Kondensationskoeffizienten“ und aus dem damals bekannten Wert der [[Mittlere freie Weglänge|mittleren freien Weglänge]] ''λ'' für Luft bei 0 °C errechnet. Die Loschmidt-Konstante ''n''<sub>0</sub> kann daraus – wieder über die mittlere freie Weglänge – nach | ||
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berechnet werden. Drückt man den heute allgemein empfohlenen Wert der Loschmidt-Konstante bzw. der Avogadro-Konstante als | berechnet werden. Drückt man den heute allgemein empfohlenen Wert der Loschmidt-Konstante bzw. der Avogadro-Konstante als Loschmidt’schen Moleküldurchmesser aus, so beträgt ''s''<sub>0</sub> = 0,361 nm. Loschmidts Ergebnis aus dem Jahr 1865 betrug ''s''<sub>0</sub> = 0,970 nm, also das 2,7fache des tatsächlichen Wertes. Er machte allerdings auch eine Angabe zur statistischen Unsicherheit seines Ergebnisses. Originalzitat: „''Dieser Werth ist freilich nur als ungefähre Annäherung zu nehmen, er ist aber sicher nicht um das zehnfache zu gross oder zu klein''“. Das war zutreffend. | ||
Für die mittlere freie Weglänge standen Loschmidt zwei unterschiedliche Werte zur Verfügung: der von Maxwell ermittelte Wert von ''λ'' = 62 nm und ein neuerer, viel größerer und – wie sich später herausgestellt hatte – ungenauerer, von Oskar Emil Meyer publizierter Wert von ''λ'' = 140 nm. Heute gilt für die mittlere freie Weglänge eines idealen Gases unter Normalbedingungen ''λ'' = 68 nm. Hätte Loschmidt damals Maxwells statt Meyers Wert der mittleren freien Weglänge für seine Berechnung herangezogen, so wäre | Für die mittlere freie Weglänge standen Loschmidt zwei unterschiedliche Werte zur Verfügung: der von Maxwell ermittelte Wert von ''λ'' = 62 nm und ein neuerer, viel größerer und – wie sich später herausgestellt hatte – ungenauerer, von Oskar Emil Meyer publizierter Wert von ''λ'' = 140 nm. Heute gilt für die mittlere freie Weglänge eines idealen Gases unter Normalbedingungen ''λ'' = 68 nm. Hätte Loschmidt damals Maxwells statt Meyers Wert der mittleren freien Weglänge für seine Berechnung herangezogen, so wäre ''s''<sub>0</sub> = 0,429 nm herausgekommen. Dieses alternative Ergebnis weist eine verblüffend geringe Ungenauigkeit von nur dem 1,28fachen des tatsächlichen Wertes auf. | ||
== Quellen == | == Quellen == | ||
Aktuelle Version vom 12. Oktober 2021, 15:07 Uhr
| Physikalische Konstante | |
|---|---|
| Name | Loschmidt-Konstante |
| Formelzeichen | $ n_{0} $ |
| Wert | |
| SI | 2.686780111...e25 $ \textstyle {\frac {1}{\mathrm {m^{3}} }} $[1] |
| Unsicherheit (rel.) | (exakt) |
| Gauß | 2.686780111...e19 $ \textstyle {\frac {1}{\mathrm {cm^{3}} }} $ |
| Bezug zu anderen Konstanten | |
| $ n_{0}={\frac {p_{0}}{k_{\mathrm {B} }\cdot T_{0}}} $ bei Normaldruck $ p_{0}=101\,325\,\mathrm {Pa} $ und Normaltemperatur $ T_{0}=273,15\,\mathrm {K} $ | |
Die Loschmidt-Konstante $ n_{0} $ (manchmal auch mit $ N_{\mathrm {L} } $ bezeichnet) ist eine nach Josef Loschmidt benannte physikalische Konstante, die die Anzahl $ N $ der Moleküle pro Volumen $ V_{0} $ eines idealen Gases unter Normalbedingungen (T0 = 273,15 K = 0 °C) und (p0 = 101,325 kPa) angibt.
- $ n_{0}={\frac {N}{V_{0}}} $
Zusammenhang mit anderen Größen und Wert
Die Loschmidt-Konstante ist mit der Boltzmann-Konstante kB verknüpft:
- $ n_{0}={\frac {p_{0}}{k_{\mathrm {B} }\cdot T_{0}}}\; $,
wobei p0 = 101 325 Pa der Normaldruck und T0 = 273,15 K die Normaltemperatur sind. Die Boltzmann-Konstante legt die Temperaturskala fest und ist als exakter Wert definiert. Dadurch hat auch die Loschmidt-Konstante einen exakten[1] Wert:
- $ {\begin{aligned}n_{0}&={\frac {101\,325\;\mathrm {Pa} }{1{,}380\,649\cdot 10^{-23}\;\mathrm {J/K} \cdot 273{,}15\;\mathrm {K} }}&=\ &{\frac {1{,}01325}{1{,}380649\cdot 2{,}7315}}\cdot 10^{24}\mathrm {\frac {Pa}{J}} \\&={\frac {1{,}01325}{1{,}380649\cdot 2{,}7315}}\cdot 10^{24}\mathrm {\frac {N/m^{2}}{N\cdot m}} &=\ &2{,}686\,780\,111\,\ldots \cdot 10^{25}\;\mathrm {m} ^{-3}\end{aligned}} $.
Vor der Revision des Internationalen Einheitensystems 2019 musste die Loschmidt-Konstante experimentell bestimmt werden und war mit einem Messfehler behaftet.
Die Loschmidt-Konstante hängt mit der Avogadro-Konstante NA über das molare Volumen eines idealen Gases unter Normalbedingungen, Vm0, über
- $ n_{0}={\frac {N_{\mathrm {A} }}{V_{\mathrm {m} 0}}} $
zusammen. Der Zusammenhang kann auch über die universelle Gaskonstante R ausgedrückt werden:
- $ n_{0}=N_{\mathrm {A} }\cdot {\frac {p_{0}}{R\cdot T_{0}}} $
Historisches und Bezeichnung der Konstante
Der italienische Physiker Amedeo Avogadro postulierte 1811, dass gleiche Volumina verschiedener idealer Gase die gleiche Zahl Moleküle enthalten (Avogadrosches Gesetz).
Erstmals gelang es 1865 (nach Avogadros Tod) dem österreichischen Physiker und Chemiker Josef Loschmidt, diese Zahl an Molekülen größenordnungsmäßig zu bestimmen (siehe „Zur Größe der Luftmoleküle“). Loschmidts Schüler und späterer Freund Ludwig Boltzmann benannte die von Loschmidts Ergebnissen abgeleitete Teilchenzahl der Moleküle eines idealen Gases bei Normaldruck und Normaltemperatur pro Volumen als Loschmidt-Konstante $ n_{0} $. Die Loschmidt-Konstante multipliziert mit der CGS-Einheit Kubikzentimeter (cm3) wird als Loschmidt’sche Zahl (im Gauß’schen CGS-System) $ \left\{n_{0}\right\}_{\mathrm {CGS} } $ bezeichnet:
- $ n_{0}=\left\{n_{0}\right\}_{\mathrm {CGS} }\,{\frac {1}{\mathrm {cm} ^{3}}} $
1909 (nachdem sowohl Loschmidt als auch Avogadro bereits verstorben waren) schlug der französische Chemiker Jean-Baptiste Perrin die Angabe der Größe nicht als Teilchenzahl pro Volumen, sondern als Teilchenzahl pro Mol unter dem Namen Avogadro-Zahl vor. Die Avogadro-Zahl (im Internationalen Einheitensystem (SI)) $ \left\{N_{\mathrm {A} }\right\}_{\mathrm {SI} } $ gibt demnach an, aus wie vielen Teilchen eine Stoffmenge von 1 mol besteht. Im deutschsprachigen Raum wurde der Name Loschmidt’sche Zahl oder Loschmidt-Zahl und das Formelzeichen L weiter verwendet, jedoch nun mit einer anderen Bedeutung, nämlich als Synonym für Avogadro-Zahl bzw. Avogadro-Konstante.
Die Avogadro-Zahl im SI $ \left\{N_{\mathrm {A} }\right\}_{\mathrm {SI} } $ multipliziert mit der SI-Einheit mol−1 ist die (physikalische Größe der) Avogadro-Konstante $ N_{\mathrm {A} } $:
- $ N_{\mathrm {A} }=\left\{N_{\mathrm {A} }\right\}_{\mathrm {SI} }{\frac {1}{\mathrm {mol} }} $
Die Avogadro-Konstante (nicht die Loschmidt-Konstante) wird verwendet, um molekulare auf molare Größen umzuformen. In den CODATA-Empfehlungen für physikalische Konstanten ist die Loschmidt-Konstante seit der CODATA-1986-Publikation enthalten.
Loschmidts Arbeit „Zur Größe der Luftmoleküle“
Die Arbeit, in der Loschmidt 1865 die später nach ihm benannte Loschmidt’sche Zahl ermittelte, wurde 1866 als Artikel „Zur Grösse der Luftmoleküle“ [2] veröffentlicht. Sie baute auf der kinetischen Gastheorie und diesbezüglichen Ergebnisse von Clausius, Maxwell und Oskar Emil Meyer auf. Loschmidt definierte dort zwar die Anzahl der in der Volumeinheit enthaltenen Luftmoleküle, einen Zahlenwert hierfür gab er jedoch nicht an. Ziel seiner Arbeit war eine vorläufige Annäherung der Größe des Durchmessers der Luftmoleküle unter Normalbedingungen, hier Loschmidt’scher Moleküldurchmesser s0 eines idealen Gases genannt. s0 wurde aus einem sog. „Kondensationskoeffizienten“ und aus dem damals bekannten Wert der mittleren freien Weglänge λ für Luft bei 0 °C errechnet. Die Loschmidt-Konstante n0 kann daraus – wieder über die mittlere freie Weglänge – nach
- $ n_{0}={\frac {3}{4\,\pi \,\lambda \,s_{0}^{2}}} $
berechnet werden. Drückt man den heute allgemein empfohlenen Wert der Loschmidt-Konstante bzw. der Avogadro-Konstante als Loschmidt’schen Moleküldurchmesser aus, so beträgt s0 = 0,361 nm. Loschmidts Ergebnis aus dem Jahr 1865 betrug s0 = 0,970 nm, also das 2,7fache des tatsächlichen Wertes. Er machte allerdings auch eine Angabe zur statistischen Unsicherheit seines Ergebnisses. Originalzitat: „Dieser Werth ist freilich nur als ungefähre Annäherung zu nehmen, er ist aber sicher nicht um das zehnfache zu gross oder zu klein“. Das war zutreffend.
Für die mittlere freie Weglänge standen Loschmidt zwei unterschiedliche Werte zur Verfügung: der von Maxwell ermittelte Wert von λ = 62 nm und ein neuerer, viel größerer und – wie sich später herausgestellt hatte – ungenauerer, von Oskar Emil Meyer publizierter Wert von λ = 140 nm. Heute gilt für die mittlere freie Weglänge eines idealen Gases unter Normalbedingungen λ = 68 nm. Hätte Loschmidt damals Maxwells statt Meyers Wert der mittleren freien Weglänge für seine Berechnung herangezogen, so wäre s0 = 0,429 nm herausgekommen. Dieses alternative Ergebnis weist eine verblüffend geringe Ungenauigkeit von nur dem 1,28fachen des tatsächlichen Wertes auf.
Quellen
- ↑ 1,0 1,1 CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Juli 2019. Der Wert für die Loschmidt-Konstante ist exakt, d. h. mit keiner Messunsicherheit behaftet. Allerdings besitzt der Zahlenwert als Quotient von exakten Zahlen keine endliche Dezimalstellendarstellung und muss daher mit ... abgekürzt werden.
- ↑ Josef Loschmidt: „Zur Grösse der Luftmoleküle“ in Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien, 52, Abt. II, S. 395–413 (1866), online in der Google-Buchsuche.
