统计热力学

热能 kT

/ THER-mul EN-er-jee KAY-TEE /

每个温暖的系统,都有一份天然的“每粒子抖动能量预算”,纯粹由它的温度决定。kT 这个量——玻尔兹曼常数乘以绝对温度——就是这份预算。它是衡量系统中每一道能隙的标尺:一道势垒是好越还是难越?拿它跟 kT 比一比,你就知道了。

更确切地说,kT 是温度为 T 时可获得的特征热能,单位是能量(焦耳)。远小于 kT 的能量差,很容易被随机的热扰动跨过,于是能隙两侧的状态混得很匀;远大于 kT 的能量差,则很少被跨过,于是较高的状态一直空着。任意能隙与 kT 之比,正是支配布居数、速率和平衡的那一个数。

它为什么重要:kT 是热世界里的通用尺子。在室温下它约为 1/40 电子伏特,即大约 25 毫电子伏特——与化学键能相比很小,这正是化学键不会随便就抖散的原因。诚实的提醒是:kT 是一个平均尺度,而不是固定的配额:单个分子携带的能量是有分布的,有些远高于 kT,而往往正是那些罕见的高能分子在推动反应。

一个典型的氢键以约 20 千焦每摩尔的强度结合,约是室温下 RT(kT 的每摩尔版本)的八倍。这强度足以让液态水保持内聚,却又弱到热抖动会不断把氢键打断又重组——这正是水会流动、而不会碎裂的原因。

把键能与 kT(或 RT)相比,就能知道热量能否把它打断。

按摩尔计,与之类似的量是 RT(气体常数乘以温度),在室温下约 2.5 千焦每摩尔。化学家说 RT,物理学家说 kT;两者只差一个阿伏伽德罗常数。

又称
kTthermal scale热能 kT熱能 kT