El calor o energía térmica como se entiende es algún tipo de vibraciones de moléculas/átomos de la materia. Si las moléculas están estrechamente unidas en el caso de los sólidos, es un movimiento de vaivén lo que llamamos vibración, o puede ser un movimiento aleatorio de las moléculas en el caso de los líquidos/gases/plasma.
El sonido, al ser ondas, es también una vibración de la materia. ¿Por qué, entonces, si calentamos un extremo de una varilla sólida, suponiendo que la varilla tenga al menos unos pocos pies de largo, el calor tarda siglos en llegar al otro extremo, mientras que el sonido llega en poco tiempo? (el sonido viaja a 1400 m/s aproximadamente en estado sólido)
¿No muestra que el calor es más una característica intraatómica que un movimiento atómico o molecular? Dado el hecho de que los buenos conductores eléctricos también son buenos conductores del calor, ¿podemos suponer que el calor es un movimiento caótico de electrones (el "gas de electrones") o alguna otra partícula subatómica? El modelo debe ser correlacionado o validado para todos los fenómenos que involucran calor, algunos de ellos se enumeran a continuación:
La analogía es muy buena, porque la transferencia de calor de hecho está modelada por fonones, que también podrías usar para describir las ondas sonoras.
La diferencia crucial es que las ondas de sonido tienen una longitud de onda mucho más larga (al menos en el rango de algunos milímetros) que los fonones térmicos (no más de unos pocos órdenes de magnitud más grandes que la escala de la red atómica). Estos fonones de pequeña longitud de onda pueden dispersarse fácilmente en cualquier impureza de la red, mientras que las ondas de sonido necesitan perturbaciones macroscópicas (como espacios de aire en un acristalamiento aislado) para hacerlo.
leftaroundabout dio una excelente explicación de la conducción térmica de los aisladores. Sin embargo, en el caso de los metales, las excitaciones de los electrones transportan una cantidad significativa de energía (el ancho de su distribución de Fermi-Dirac). Entonces, la conductividad térmica se relaciona con la distancia que puede viajar un electrón excitado antes de dispersarse y, por lo tanto, se relaciona con la conductividad eléctrica. En la mayoría de los metales, los electrones tendrán una mayor contribución a la conductividad térmica que los fonones.
Siento que cuando un físico habla de Calor tiene en mente un flujo de energía. Suponga que tiene una barra y que los dos extremos se mantienen a diferentes temperaturas. Luego, la ley de Fourier establece que debe haber un flujo de Calor desde el extremo más caliente hacia el más frío. Cuando un físico habla, en cambio, del movimiento molecular está pensando en la energía interna del cuerpo.
Ahora, cuando las moléculas y los átomos están involucrados, es más probable que debamos entrar en el mundo cuántico. Por cierto, podemos hacer algunas consideraciones semiclásicas heurísticas, a saber, podemos aplicar las estadísticas de Boltzmann a la estructura cuántica de los espectros atómicos y moleculares. Un cuerpo que se sumerge en un determinado ambiente estará en estado de equilibrio térmico. Los átomos y las moléculas reciben energía del baño termal, pero también irradian energía de tal manera que el balance total es "sin intercambio de energía", por lo tanto, no hay flujo de energía, es decir, no hay flujo de calor.
Sin embargo, debemos tener en cuenta que cuando tratamos con niveles de excitación atómica o molecular, estamos considerando cantidades de energía relativamente pequeñas. Toma como referencia la energía de enlace del electrón en el átomo de hidrógeno, siendo esta de aproximadamente 13,6 eV. Las excitaciones de los sonidos involucran mucha más energía que esta y en este caso puedes olvidar que el cuerpo tiene una naturaleza cuántica. Se puede tratar como un continuo y aplicar las leyes de la mecánica clásica, es decir, la teoría de la elasticidad y adelante.
Aquí hay una simulación numérica de la transferencia de calor en un hilo que tiene solo un átomo de espesor, cada número es un átomo, 8 es un átomo con 8 unidades de energía cinética, y así sucesivamente:
El primer lado izquierdo tiene más energía térmica:
8 0 0 0
Después de una colisión entre átomos vecinos:
4 4 0 0
Después de una colisión más entre átomos vecinos:
4 2 2 0
Después de una colisión más entre átomos vecinos:
3 3 1 1
Como puede ver, hay algo de calor que viaja a la velocidad del sonido. Al comienzo de la simulación, cuando había una diferencia de calor de 8 entre los átomos vecinos, una gran fracción de la energía térmica viajaba a la velocidad del sonido.
(El olor no viaja a la velocidad del sonido. Si se transfiriera algo de olor cuando las moléculas se tocan, entonces el olor viajaría como energía térmica)
eric duminil
pongapundit
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r. esmeril