Comprender el calor

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:

  • El sólido se derrite cuando se calienta, el líquido se vaporiza cuando se calienta.
  • El material caliente emite luz (su frecuencia depende de la temperatura)
  • La luz es absorbida convirtiéndose en calor.
  • El microondas produce un enorme calentamiento en ciertos materiales (p. ej., un recipiente con agua en un horno de microondas)
  • La estrangulación de un gas a través de una boquilla produce enfriamiento (o absorbe calor)
  • La fricción mecánica produce calentamiento.
  • La compresión del gas produce calor.
  • El calentamiento provoca la expansión en sólidos, líquidos y gases (aunque el mecanismo puede diferir entre los 3 estados)
  • La diferencia de calor puede producir un EMF y viceversa en un termopar (efecto Seebeck / Peltier)
  • La expansión de la banda elástica produce calor, la contracción absorbe el calor.
  • El paso de la corriente eléctrica a través del metal produce calor.
  • La histéresis magnética produce calor.
  • El sonido y otros movimientos mecánicos se disipan en calor.
  • Ciertas reacciones químicas (exotérmicas) producen calor, mientras que otras (endotérmicas) lo absorben.
  • El cambio de estado de la materia produce/absorbe calor sin elevar la temperatura (calor latente de fusión, calor latente de vaporización)
"El calor o la energía térmica, tal como se entiende, no es más que el movimiento de las moléculas de la materia". Esto está mal. El calor no es temperatura ni energía interna.
@Eric Duminil: ¿Dónde dije que es temperatura o energía interna?
"movimiento de las moléculas de la materia" podría usarse para describir la temperatura o la energía interna. Son funciones de estado ( en.wikipedia.org/wiki/State_function ). Pero el calor es una función de proceso ( en.wikipedia.org/wiki/Process_function ) y no se puede asignar a un cuerpo. Por ejemplo, una gran cantidad de calor fluye del Sol a la Tierra en forma de radiación. Y fluye en el vacío, por lo que su definición no se puede aplicar.

Respuestas (4)

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.

Realmente no sé acerca de los fonones, pero veo un problema fundamental aquí: ¿por qué todas las vibraciones deberían asociarse con una longitud de onda? Todas las ondas son vibraciones, pero no todas las vibraciones son necesariamente ondas.
Sí lo son. Puede expandir con Fourier cualquier vibración en componentes de frecuencia, y cada una de estas frecuencias corresponde a alguna longitud de onda.
¡Muy esclarecedor!
@leftaroundabout: creo que confundes la longitud de onda con la amplitud. La longitud de onda tiene una relación precisa con la frecuencia de vibración (para un material dado, digamos hierro, madera o aire). Debe haber una diferencia fundamental entre la vibración debida a las ondas sonoras y la debida al calor. ¿Cómo se modela una onda de sonido usando fonones? Curioso por saber. El simple uso de una jerga compleja y una lógica de rompecabezas no explica las cosas a un laico como yo. Estoy pensando en la dirección de que el calor es un fenómeno intraatómico, mientras que las vibraciones del sonido involucran moléculas.
Y un hecho más para correlacionar aquí es que la onda de sonido finalmente se disipa en energía térmica.
@pongapundit, modelas el sonido usando fonones de la misma manera que modelas las ondas de radio con fotones. Debido a la baja frecuencia, la energía de cada fonón es casi infinitesimalmente pequeña, pero si superpones muchas de la misma energía (que es posible porque son bosones), obtienes una onda macroscópica. — Tanto el calor como el sonido pueden involucrar fuerzas intraatómicas e intramoleculares, esa no es la distinción. Aunque es cierto que los fonones de calor pueden tener una longitud de onda de tamaño comparable a las moléculas, mientras que las ondas de sonido son siempre mucho más largas, WL.

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.

¡Un punto muy importante!

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.

Es más como al revés: las excitaciones de los sonidos implican mucha menos energía. no te mueves mi = ω allí, lo que significa que un 440 H z tiene una energía de sólo 1.8 10 12 mi V ! [ wolframalpha.com/input/?i=440Hz *2pi+hbar+in+eV]
Lo que estaba tratando de decir es que tienes que golpear una barra de acero con un martillo para producir un sonido audible, y esto es mucho más que unos pocos eV. En este régimen seguramente se puede aplicar la mecánica clásica.
El martillo puede tener una energía notable, pero sin la frecuencia suficiente no se puede utilizar para ningún tipo de excitación. Considere un asteroide lejos del sol: tiene mucha energía cinética WRT el sistema solar, pero la frecuencia es casi cero, por lo que no puede tener lugar ninguna excitación.
Lo siento pero no entiendo muy bien tu comentario. ¿Qué quiere decir con "frecuencia suficiente"? Además, no entiendo el ejemplo del asteroide. Si el asteroide viaja a una velocidad constante con respecto a las estrellas remotas, entonces debe haber un marco de referencia en el que el asteroide no se mueva...
Exactamente. Tal marco de referencia solo existe para un movimiento "suficientemente constante", es decir, para uno con una frecuencia suficientemente baja.
Todavía no entiendo lo que quieres decir con "frecuencia" en este contexto. ¿Puedes explicar por favor?
No puedo pensar en ninguna manera fácil de explicarlo. Básicamente se trata de la transformada de Fourier. Si está familiarizado con eso, debería ser claro para usted lo que quiero decir.
@leftaroundabout, sin expresar ninguna opinión sobre la corrección de los argumentos, pero yo tampoco entiendo sus comentarios y estoy familiarizado con Fourier Transform.
Ok, admito que el argumento de la frecuencia realmente no se puede aplicar muy bien al ejemplo del martillo. Quise aplicarlo a las ondas sonoras, más concretamente a su tratamiento lineal que es lo que se puede traducir directamente a la descripción cuántica. Cualquier sonido que podamos escuchar se describe de manera lineal, y también la mayoría de los fenómenos de ultrasonido. — En cuanto al martillo, resulta que allí, para golpes lo suficientemente fuertes, la mayor parte de la energía no entra en esos modos de sonido, sino que tiene efectos en la deformación inelástica (no lineal), por lo que de hecho calienta el acero.

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)

contraste eso con el sonido que viaja: 8000, luego 0800, luego 0080 y finalmente 0008 (ignorando la pérdida de volumen menor)
-1 ya que esta simulación realmente no aborda la pregunta. Básicamente estás resolviendo una ecuación de difusión discretizada. La verdadera pregunta es por qué el calor obedece a una ecuación de difusión mientras que el sonido obedece a una ecuación de onda, dado que ambos tienen el mismo origen físico, al menos para la contribución de los fonones a la conductividad térmica.
(continuación) Además, su imagen es incorrecta a escala atómica, ya que los fonones térmicos se propagan como ondas. Esto se debe a que las vibraciones en un sólido son un movimiento colectivo. No son vibraciones atómicas independientes, con solo transferencias de energía aleatorias entre átomos vecinos, como sugiere su simulación. pongapundit entendió este problema, y ​​es por eso que está publicando esta pregunta. El modelo de difusión solo se vuelve válido a escalas mayores que el camino libre medio del fonón, y la izquierda explica la física con bastante claridad.
Bueno, mi opinión es que la conducción de calor en los sólidos se asemeja a la conducción de calor en los gases, mucho más de lo que la conducción de calor en los sólidos se parece a la propagación del sonido en los gases o los sólidos.
¡A escala macroscópica tienes toda la razón! Pero a escala atómica, los sólidos y los gases son bastante diferentes. Los átomos en un gas se mueven más o menos independientemente unos de otros, mientras que en un sólido tienen movimientos colectivos. La diferencia entre el sonido y el calor en los sólidos es más una cuestión de si observa escalas más cortas o más grandes que el camino libre medio del fonón. Entonces, su simulación está bien siempre que se dé cuenta de que la "celda de simulación" tiene que ser más grande que este camino libre medio. Ahora, la pregunta original se refería explícitamente a la escala atómica.
@Edgar Bonet: Bueno, creo que la pregunta era "¿por qué el sonido es rápido mientras que el calor es lento?". Y creo que mi respuesta es la que tiene menos errores. Bueno, eso es lo que pienso. Ahora, una muy buena respuesta explicaría por qué el sonido es rápido, no solo por qué el calor es lento.
@leftaroundabout No creo que el sonido sea un sonido de baja frecuencia mientras que el calor es un sonido de alta frecuencia. Es más como que el calor es energía mientras que el sonido es impulso.