Supongamos que tengo un átomo A (de masa ) moviéndose al azar con cierta velocidad en espacio libre. Ahora supongamos que hay otro átomo B similar pero que se mueve con una velocidad diferente (menor que ) en la misma línea que la de y en la misma dirección pero inicialmente está por delante de A.
La temperatura de A es su energía cinética y la de B es la energía cinética de B. Entonces, si entran en contacto durante la colisión, la energía debería fluir de A a B y, finalmente, ambos deberían tener la misma temperatura, es decir, la misma energía cinética, es decir, la misma velocidad.
La declaración anterior es cierta solo cuando la colisión es inelástica , pero me dijeron que las colisiones atómicas siempre son elásticas.
Entonces, ¿significa esto que ambos átomos no tendrán la misma velocidad después de la colisión? O estoy equivocado en alguna parte.
La temperatura de A es su energía cinética.
Desafortunadamente, este es un concepto erróneo muy común. La energía térmica es energía que se encuentra en todos los grados de libertad internos no medidos.
Para un gas ideal, los únicos grados de libertad internos para la energía son la energía cinética, pero esa no es una declaración general, es específica solo para los gases ideales. Los gases reales y otros materiales tienen más grados de libertad disponibles para contener energía. Por ejemplo, los orbitales atómicos pueden excitarse y puede haber energía potencial almacenada en modos vibratorios, rotacionales y torsionales. En los sólidos también puede haber modos vibracionales de largo alcance llamados fonones. Entonces, la energía térmica incluye energía en todos estos grados de libertad.
En su ejemplo, la colisión podría muy bien ser inelástica. Entonces uno de los átomos estaría excitado y la KE faltante estaría en los orbitales atómicos. Aunque la energía no sería KE, sigue siendo energía térmica perfectamente válida. Más tarde podría relajarse y liberar la energía y podría irradiar o excitar térmicamente a otro átomo.
La temperatura de A es su energía cinética y la de B es la energía cinética de B
Esto no es cierto para las partículas. En los gases ideales se puede relacionar la energía cinética promedio con la temperatura , y de manera chapucera se puede decir que la energía cinética de una molécula o átomo corresponde a una temperatura, pero de ninguna manera se puede tratar en términos termodinámicos. Los átomos y las moléculas pertenecen al ámbito de la mecánica cuántica, al igual que su dispersión.
Cuando dos átomos se dispersan, tienen una probabilidad mecánica cuántica calculable de dispersarse elásticamente y una probabilidad mecánica cuántica calculable de dispersarse inelásticamente, según las condiciones de contorno del sistema y el tipo de átomos.
Dejando de lado la discusión sobre la definición de temperatura con solo 1 grado de libertad (lo que no cambia la pregunta), la respuesta a su pregunta es sí .
La colisión puede ser inelástica, es decir, no conservar la energía cinética, si el exceso de energía se almacena en los grados de libertad internos de los átomos. Por ejemplo, los átomos podrían excitarse electrónicamente o formar un enlace químico .
Además del comentario de Dale, debe tener en cuenta que un modelo simple de reacciones químicas se construye alrededor de átomos y moléculas que chocan inelásticamente para formar nuevas especies. De Reichl " Un curso moderno de física estadística ":
"Las reacciones químicas ocurren en sistemas que contienen varias especies de moléculas,... que pueden transformarse unas en otras a través de colisiones inelásticas".
Todas las reacciones químicas tienen lo que se llama una "energía de activación". Es una cantidad de energía que se le debe dar al sistema para que la reacción química pueda comenzar y proviene de la energía cinética total de las especies que chocan. El Capítulo 13, B.5 de Reichl, da una descripción detallada de esto.
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Danny LeBeau
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