by 
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ενός μεταλλικού αγωγού συγκρούονται συνεχώς με τα ιόντα του, ακόμη και όταν δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα. Γιατί η θερμοκρασία του αγωγού δεν αυξάνεται;
Η απάντηση υπάρχει εδώ: Φαινόμενο Joule χωρίς ρεύμα – Πρότυπα Θέματα Φυσικής
Καλημέρα Ανδρέα.
Διόρθωσε τον σύνδεσμο, αφού δεν ανοίγει η σελίδα που παραπέμπει.
Διονύση καλημέρα.
Τώρα ανοίγει;
Σε ευχαριστώ πολύ.
“Λυπάται” Ανδρέα και δεν ανοίγει.
Καλημέρα
Παντελή καλημέρα.
Τώρα ανοίγει;
Σε ευχαριστώ.
Τώρα είναι εντάξει Ανδρέα.
Σας ευχαριστώ πολύ.
Καλό Σαββατοκύριακο
Καλό μεσημέρι Ανδρέα.Προτότυπη η προσέγγιση.Μία ακόμη προσέγγιση.Τα ελεύθερα e και τα κατιόντα αποτελούν μονωμένο σύστημα.Η ορμή και η ενέργεια μένουν σταθερές, αφού σε άλλη περίπτωση θα υπήρχαν πηγές ή καταβρόθες ενέργειας.Αυτο σημαίνει ότι οι κρούσεις μεταξύ ελεύθερων e και κατιόντων είναι ελαστικές.Επομέμως όση ενέργεια χάνει το e μέχρι τη “μέγιστη παραμόρφωση”το κατιόν του την αποδίδει με αποτέλεσμα να είναι αδύνατο η αύξηση του πλάτος του κατιόντος και την εκπομπή θερμότητας.
Θύμιο καλησπέρα.
Το σχόλιό σου είναι κρίσιμο για την ερμηνεία του φαινομένου που εξετάζουμε.
Η άποψή μου λοιπόν είναι η εξής:
Αναφέρεις ότι “όση ενέργεια χάνει το e μέχρι τη “μέγιστη παραμόρφωση” το κατιόν του την αποδίδει”. Ωστόσο σε μια μεμονωμένη ελαστική κρούση μεταξύ ενός σώματος με έναν ταλαντωτή, όση ενέργεια χάνει το σώμα μέχρι ο ταλαντωτής να φθάσει στην ακραία θέση του, δεν επιστρέφεται απαραίτητα από τον ταλαντωτή στο σώμα.
Αυτό πράγματι μπορεί να συμβεί σε συστήματα τεράστιου πλήθους σωμάτων, όπως συμβαίνει με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και τα ιόντα του μεταλλικού αγωγού, αλλά μόνο κατά μέσο όρο. Γι’ αυτό στην Απάντησή μου χρησιμοποίησα Θερμοδυναμική.
Καλημέρα Ανδρέα.
Η ανάρτησή σου μπορεί να δημιουργήσει κάποια ερωτήματα, τα οποία νομίζω πρέπει να απαντηθούν- διευκρινιστούν.
Φαινόμενο Joule διαβάζω στον τίτλο, χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα. Δηλαδή; Ποιο είναι το φαινόμενο Joule για να δούμε αν μπορούμε να το έχουμε, χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα;
«λόγω των συγκρούσεων ενέργεια ανταλλάσσεται μεταξύ του συστήματος των ηλεκτρονίων και του συστήματος των ιόντων» Τι ακριβώς μορφή έχει η ενέργεια που ανταλλάσσεται; Σε αυτήν την ανταλλαγή τα ηλεκτρόνια χάνουν ενέργεια και τα ιόντα κερδίζουν ενέργεια;
Όταν μιλάμε για ανταλλαγή θερμότητας, αναφερόμαστε για την μεταφορά ενέργειας (λόγω τυχαίων κρούσεων στον μικρόκοσμο) από ένα θερμοδυναμικό σύστημα σε ένα άλλο, λόγω διαφοράς θερμοκρασίας.
Εδώ ποια είναι τα δύο θερμοδυναμικά συστήματα; Αν καταλαβαίνω σωστά το ένα είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και το άλλο τα ιόντα; Είναι έτσι; Μπορούμε να πάρουμε δύο τέτοια συστήματα, και να μελετήσουμε μεταφορά θερμότητας;
Αλλά αν έχουμε δύο συστήματα σε επαφή στην ίδια θερμοκρασία, μπορεί κάποια επόμενη στιγμή το Α να κερδίσει ενέργεια αυξάνοντας την θερμοκρασία του και το Β να χάσει ενέργεια και να μειωθεί η θερμοκρασία του; Είναι επιτρεπτή μια τέτοια διεργασία; Αν δεν επιτρέπεται, τότε πώς γίνεται να παρατηρηθεί η διαφορά θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός σύρματος και άρα ροή θερμότητας;
Αλλά και πάλι αν υπάρχει κάποια τέτοια μεταφορά ενέργειας στο εσωτερικό του σύρματος, η θερμότητα στο περιβάλλον (για να μιλάμε για φαινόμενο Joule) πώς θα εμφανιστεί;
Διονύση καλημέρα.
Εύλογα τα ερωτήματά σου και βοηθούν στην αποσαφήνιση της κατάστασης.
1. Ποια είναι τα δύο θερμοδυναμικά συστήματα μέσα στον αγωγό;
Τα δύο συστήματα είναι:
Αυτά βρίσκονται σε θερμική επαφή και ανταλλάσσουν ενέργεια μέσω συγκρούσεων των ηλεκτρονίων με τα ιόντα.
2. Σε αυτή την ανταλλαγή τα ηλεκτρόνια είναι δυνατό να χάσουν ενέργεια και να την κερδίσουν τα ιόντα;
Στιγμιαία αυτό μπορεί να συμβεί και τότε είναι δυνατό να έχουμε στιγμιαία αύξηση της θερμοκρασίας. Δηλαδή στιγμιαία μπορεί να έχουμε φαινόμενο Joule.
Σε μια τέτοια περίπτωση, όπως εξηγείται στην Απάντηση, σύντομα αποκαθίσταται θερμική ισορροπία μεταξύ των δύο συστημάτων και γι’ αυτό κατά μέσο όρο δεν παράγεται θερμότητα Joule.
Καλημέρα Ανδρέα και πάλι.
“σύντομα αποκαθίσταται θερμική ισορροπία μεταξύ των δύο συστημάτων και γι’ αυτό κατά μέσο όρο δεν παράγεται θερμότητα Joule.”
Αν δεν παράγεται θερμότητα Joule, σημαίνει ότι δεν μεταφέρεται θερμότητα από τον αγωγό στο περιβάλλον. Αλλά τότε δεν έχουμε φαινόμενο Joule!
Αλλά τότε τι ακριβώς λέει ο τίτλος; Δεν υπάρχει θερμότητα προς το περιβάλλον χωρίς ηλεκτρικο ρεύμα.
Ας δεχτώ όμως τη θεώρηση που προτείνεις ότι στο εσωτερικό του αγωγού υπάρχουν δύο θερμοδυναμικά συστήματα, όπου το ένα είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και το δεύτερο τα ιόντα του κρυσταλλικού πλέγματος, όπως αναφέρεις.
Αυτά βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία και άρα στην ίδια θερμοκρασία! Κάθε ηλεκτρόνιο μπορεί να χάσει κινητική ενέργεια η οποία να δοθεί σε ένα ιόν ή αντίστροφα, αλλά αυτό δεν πρόκειται να οδηγείσει σε διαφορά θερμοκρασίας.
Τι ακριβώς λέμε; Έστω δύο συστήματα, που βρίσκονται σε επαφή με αγώγιμα τοιχώματα και σε θερμική ισορροπία, όπως στο σχήμα.
Υπάρχει περίπτωση με μεταφερθεί θερμότητα από το Α στο Β, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του Α να μειωθεί και η θερμοκρασία του Β συστήματος να αυξηθεί;
Όχι, αυτό δεν μπορεί να γίνει!
Το απαγορεύει το 2ο θερμοδυναμικό αξίωμα. Αν μπορoύσε να συμβεί κάτι τέτοιο, θα είχαμε μείωση εντροπίας και βελτίωση της ποιότητας της ενέργειας…
Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής αφορούν τη μέση συμπεριφορά των συστημάτων. Σύμφωνα με την “Κινητική Θεωρία” (Στατιστική Μηχανική) πρόκειται για την πιθανότερη συμπεριφορά ενός συστήματος στο οποίο ωστόσο υπάρχουν στιγμιαίες διακυμάνσεις. Η στιγμιαία αύξηση της θερμοκρασίας του αγωγού είναι υπαρκτή, στατιστική διακύμανση, γύρω από την πιθανότερη κατάσταση του αγωγού.
Και αυτή η στιγμιαία διακύμανση, οδηγεί σε φαινόμενο Joule;
Προφανώς μιλάμε για στατιστική φυσική και για μέσες τιμές μεγεθών όπως η ταχύτητα, η ορμή, η κινητική ενέργεια των δομικών λίθων, μεγέθη που μπορούν να μεταβάλλονται.
Αλλά αυτές οι μέσες τιμές των μικροσκοπικών μεγεθών Ανδρέα, συνδέονται με το μακροσκοπικό φυσικό μέγεθος που ονομάζουμε θερμοκρασία.
Όπου για να έχουμε δικαίωμα να μιλήσουμε για “θερμοκρασία”, πρέπει να αναφερθούμε σε ένα σύστημα σε θερμοδυναμική ισορροπία. Αν θέλουμε να μιλήσουμε για θερμοκρασία κάποιου τμήματος αγωγού, θα πρέπει σε όλα του τα σημεία, να έχουμε μία και μόνο μία θερμοκρασία. Σε όλα τα σημεία του χώρου που καταλαμβάνει, αυτό το τμήμα, θα επικρατεί μία θερμοκρασία.
Σε ένα σημείο δηλαδή του σύρματος, δεν έχει νόημα να μιλάμε για δύο συστήματα και να έχουμε μια θερμοκρασία των ηλεκτρονίων και μια άλλη των ιόντων!
Αλλά ακόμη και αν δεχτώ ότι λόγω στατιστικών διακυμάνσεων, αυξάνεται τοπικά και χρονικά η θερμοκρασία, αυτό θα οδηγήσει σε μεταφορά ενέργειας, με τη μορφή θερμότητας, από μια περιοχή του χώρου σε μια άλλη διπλανή περιοχή, για να έχει νόημα να μιλήσουμε για θερμότητα.
Τελικά Ανδρέα προβληματίζομαι, όλα αυτά μας οδηγούν στο να πούμε στους μαθητές (βλέπω κατηγορίες Φυσική Β και Φυσική Γ), ότι μπορούμε να έχουμε φαινόμενο Joule σε έναν αγωγό, χωρίς απαραίτητα αυτός να διαρρέεται από ρεύμα;
Όταν αναμειγνύονται δύο αέρια διαφορετικής θερμοκρασίας, μεταφέρεται θερμότητα από το αέριο υψηλότερης θερμοκρασίας στο άλλο. Αυτό συμβαίνει και στην περίπτωση της αλληλεπίδρασης του αερίου των ηλεκτρονίων με το σύστημα των ταλαντούμενων ιόντων, όταν η θερμοκρασία τους είναι διαφορετική.
Από αυτή την άποψη λοιπόν το συγκεκριμένο θέμα μπορεί να συζητηθεί με μαθητές της Β Λυκείου. Επίσης επειδή το φαινόμενο Joule εμφανίζεται και στη Γ Λυκείου θα μπορούσε και εκεί να συζητηθεί αν υπάρξει ανάγκη. Σε κάθε περίπτωση η συζήτηση ενός θέματος μέσα στην τάξη εξαρτάται από ποικίλους παράγοντες.
Ένα άλλο ερώτημα που θα μπορούσε να τεθεί από μαθητή της Γ λυκείου είναι το εξής: Η μάζα του ηλεκτρονίου της τάξης 10^3 φορές μικρότερη από τη μάζα του ιόντος. Δηλαδή πρόκειται για σύγκρουση με σώμα πολύ μεγάλης μάζας. Πώς γίνεται να μεταφέρεται ενέργεια από το ηλεκτρόνιο στο ιόν;
Όταν αναμειγνύονται δύο αέρια διαφορετικής θερμοκρασίας, στην επίλυση των αντίστοιχων προβλημάτων, δεν εμπλέκετο ποτέ η θερμότητα, όταν διδάσκαμε θερμοδυναμική. Πάντα χρησιμοποιούσαμε την διατήρησης της ενέργειας με την διατύπωση U1+U2=Uτ
όπου U1 η εσωτερική ενέργεια του πρώτου αερίου (αντίστοιχα του 2ου) και η τελική εσωτερική ενέργεια του μίγματος…
Δεν υπάρχει διαχωριστική επιφάνεια, δεν υπάρχουν όρια, μέσω της οποίας “μεταφέρεται θερμότητα” από το ένα αέριο ενός χώρου, στο άλλο αέριο διπλανού χώρου, και η χρήση της θερμότητας, θεωρώ ότι θολώνει τις έννοιες που πρέπει να διδαχτούν οι μαθητές…