Entendiendo el calor

Question

El calor o energía térmica como se entiende no es nada sino el movimiento de las moléculas de la materia. Si las moléculas están estrechamente unidos (en el caso de sólidos), es de vaivén vibraciones moleculares, de lo contrario es continuo movimiento aleatorio de las moléculas (en el caso de líquidos/gases/de plasma).

Sonido, siendo las ondas, es también vibraciones en la materia. Por qué, entonces, si se calienta un extremo de una barra sólida, suponiendo que la varilla es de al menos unos metros de longitud, se tarda edades para que el calor llegue al otro extremo, mientras que el sonido llegue en ningún momento ? (sonido viaja a 1400 m/s en estado sólido)

No se demuestra que el calor es más una intra-atómica función en lugar de una atómico o molecular de movimiento? La observación de que los buenos conductores eléctricos también son buenos conductores de calor, podemos asumir que el calor es el movimiento caótico de electrones (el "gas de electrones")? (Por supuesto, todos los fenómenos relacionados con el calor se necesita para ser explicado con esta hipótesis.)

Answer 1

La analogía es muy buena, porque la transferencia de calor es en realidad modelada por fonones, que también podría utilizar para describir las ondas de sonido.

La diferencia crucial es que las ondas de sonido tienen una mucho más larga longitud de onda (al menos en el rango de algunos milímetros) de térmica fonones (no más de un par de órdenes de magnitud más grande que la atómica de celosía de escala). Estos de pequeña longitud de onda de fonones puede fácilmente scatter en cualquier red impurezas, mientras que las ondas de sonido necesidad macroscópica pertubations (como los huecos de aire en un acristalamiento aislante) para hacerlo.

Answer 2

leftaroundabout dio una excelente explicación para la conducción térmica de los aisladores. Sin embargo, en el caso de los metales, una cantidad significativa de la energía es transportada por las excitaciones de los electrones (la anchura de sus Fermi-Dirac distribución). La conductividad térmica se relaciona con cuánto un emocionado electrones pueden viajar antes de ser dispersados, y es por lo tanto, relacionada con la conductividad eléctrica. En la mayoría de los metales, la los electrones tienen una mayor contribución a la conductividad térmica de los fonones.

Answer 3

Aquí está una simulación numérica de la transferencia de calor en un hilo que es sólo un átomo de espesor, cada número es un átomo, 8 es un átomo con 8 unidades de energía cinética, y así sucesivamente:

Primer lado izquierdo tiene más energía de calor:

8 0 0 0

Después de una colisión entre el vecino átomos:

4 4 0 0

Después de uno más de la colisión entre el vecino átomos:

4 2 2 0

Después de uno más de la colisión entre el vecino átomos:

3 3 1 1

Como se puede ver, hay un poco de calor que viaja a la velocidad del sonido. Al comienzo de la simulación, cuando había un calor diferencia de 8 entre vecino átomos, gran parte de la energía térmica, viajando a la velocidad del sonido.

(Olor no viaja a la velocidad del sonido. Si algún olor fue transferido cuando las moléculas de toque, luego olor sería un viaje como el de la energía calorífica)

Answer 4

Yo creo que cuando un físico hablar sobre el Calor que él/ella tiene un flujo de energía en mente. Supongamos que usted tiene una varilla y que los dos extremos se mantienen a diferentes temperaturas. A continuación, la ley de Fourier establece que debe haber un flujo de Calor desde el extremo más caliente a la más fría. Cuando un físico de hablar, en cambio, del movimiento molecular que él/ella está pensando en la energía interna del cuerpo.

Ahora, cuando las moléculas y los átomos están involucrados, es más probable que debemos entrar en el mundo cuántico. Por el camino, podemos hacer algunos pocos heurística semiclásica consideración, es decir, podemos aplicar la estadística de Boltzmann para el quantum de la estructura atómica y molecular de los espectros. Un cuerpo que se encuentra sumergido en un entorno determinado estará en equilibrio térmico del estado. Los átomos y las moléculas recibe energía desde el baño de aguas termales, pero también irradiar energía de tal manera que el saldo total, "no hay intercambio de energía", por lo tanto no hay flujo de energía, es decir, no hay flujo de calor.

Debemos señalar sin embargo que, cuando tratamos con atómico o molecular niveles de excitación, estamos considerando cantidades relativamente pequeñas de energía. Tomar como referencia la energía de enlace del electrón en el átomo de hidrógeno, siendo esto aproximadamente 13.6 eV. Los sonidos de las excitaciones implica la manera más energía de la que este, y en este caso se puede olvidar que el cuerpo tiene una naturaleza cuántica. Usted puede tratar como un continuum y aplicar las leyes de la mecánica clásica, es decir, la teoría de la elasticidad y vuelta.