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
Αλλά για να το κλείσουμε, ακόμη και αν υποτεθεί ότι θέλεις να ερμηνεύσεις με όρους θερμότητας, τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ ηλεκτρονίων και ιόντων, αυτό δεν συνδέεται με το φαινόμενο Joyle.
Ένα σύρμα που δεν διαρρέεται από ρεύμα δεν εκλύει θερμότητα στο περιβάλλον του, εξαιτίας της θερμικής κίνησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων.
“Ένα σύρμα που δεν διαρρέεται από ρεύμα δεν εκλύει θερμότητα στο περιβάλλον του, εξαιτίας της θερμικής κίνησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων.” Στην Απάντησή μου δεν ισχυρίζομαι το αντίθετο. Αναφέρω ωστόσο ότι στιγμιαία μπορούμε να έχουμε αύξηση της θερμοκρασίας του συστήματος των ιόντων αλλά αμέσως μετά, όπως επίσης αναφέρω, η θερμική ισορροπία αποκαθίσταται.
Πάντως θεωρώ ότι πρόκειται για γόνιμη διαφωνία, διδακτικά αξιοποιήσιμη.
Αποτύπωση των σημείων συμφωνίας και διαφωνίας, όπως προκύπτουν από τα σχόλια των Α. Βαλαδάκη και Δ. Μάργαρη καθώς και από την Απάντηση (που υπάρχει εδώ: Φαινόμενο Joule χωρίς ρεύμα – Πρότυπα Θέματα Φυσικής) στο Ερώτημα της παρούσας ανάρτησης:
Σημεία ΣΥΜΦΩΝΙΑΣ
1. Υπάρχουν δύο “υποσυστήματα” μέσα στον αγωγόΚαι οι δύο αποδέχονται ότι:
υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια,και υπάρχουν ιόντα του πλέγματος,τα οποία αλληλεπιδρούν μέσω συγκρούσεων.2. Οι συγκρούσεις ηλεκτρονίων–ιόντων ανταλλάσσουν ενέργεια
Κανείς δεν αμφισβητεί ότι:
κατά τις συγκρούσεις μπορεί να υπάρξει μεταφορά ενέργειας από το ένα σύστημα στο άλλο.3. Η θερμοδυναμική ισορροπία είναι η φυσική κατάσταση του αγωγού χωρίς ρεύμα
Και οι δύο αναγνωρίζουν ότι:
χωρίς εξωτερική αιτία, τα δύο συστήματα τείνουν να βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία.Σημεία ΔΙΑΦΩΝΙΑΣ
1. Μπορεί να υπάρξει “φαινόμενο Joule χωρίς ρεύμα”;
Α. Βαλαδάκης
Υποστηρίζει ότι στιγμιαίες στατιστικές διακυμάνσεις μπορούν να προκαλέσουν:πρόσκαιρη αύξηση της θερμοκρασίας,άρα στιγμιαία εμφάνιση φαινομένου Joule,αλλά κατά μέσο όρο δεν παράγεται θερμότητα προς το περιβάλλον.Θεωρεί ότι η συζήτηση μπορεί να γίνει και στη Β’–Γ’ Λυκείου.Δ. Μάργαρη
Επιμένει ότι:χωρίς ρεύμα δεν υπάρχει φαινόμενο Joule,γιατί δεν υπάρχει καθαρή μεταφορά θερμότητας προς το περιβάλλον.Θεωρεί ότι η χρήση του όρου “φαινόμενο Joule” σε αυτή τη συνθήκη είναι παραπλανητική για μαθητές.2. Έχει νόημα να μιλάμε για δύο θερμοκρασίες στο ίδιο σημείο του αγωγού;
Α. Βαλαδάκης
Δέχεται ότι στιγμιαία μπορεί να υπάρξει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ηλεκτρονίων και ιόντων λόγω στατιστικών διακυμάνσεων.Δ. Μάργαρης
Θεωρεί ότι:σε θερμοδυναμική ισορροπία δεν μπορεί να υπάρχουν δύο θερμοκρασίες στο ίδιο σημείο,άρα δεν έχει νόημα να μιλάμε για “θερμότητα” μεταξύ τους.3. Είναι σωστό να χρησιμοποιούμε τον όρο “θερμότητα” για την αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων–ιόντων;
Α.Βαλαδάκης
Χρησιμοποιεί αναλογία με ανάμιξη δύο αερίων διαφορετικής θερμοκρασίας.Δ. Μάργαρης
Αντιτίθεται:στην ανάμιξη αερίων δεν μιλάμε για θερμότητα αλλά για διατήρηση ενέργειας,άρα η χρήση του όρου “θερμότητα” εδώ θολώνει τις έννοιες.Συνολική εικόνα
Συμφωνούν στη μικροσκοπική εικόνα: ηλεκτρόνια–ιόντα, συγκρούσεις, ανταλλαγή ενέργειας. Διαφωνούν: ο Βαλαδάκης βλέπει δυνατότητα μικροσκοπικά στιγμιαίου Joule λόγω στατιστικών διακυμάνσεων ενώ ο Μάργαρης θεωρεί ότι αυτό δεν μπορεί να χαρακτηριστεί φαινόμενο Joule και ότι η χρήση του όρου είναι παιδαγωγικά προβληματική.
Καλημέρα Ανδρέα ,καλημέρα Διονύση.
Παρακολούθησα τον διάλογο αφού είχα διαβάσει
την ανάρτηση και έμεινα με την απορία …ο τίτλος
με βάση τη γνώση μας ως προς το “φαινόμενο Joule”
χωρίς (;) αρμόζει στο ερμηνευτικό κείμενο;
Τελικά έμεινα με την αίσθηση συμφωνίας μου με την τελική διαφωνία
σας που διατυπώνεται στο τέλος του προηγούμενου σχολίου…
“ο Βαλαδάκης βλέπει δυνατότητα μικροσκοπικά στιγμιαίου Joule λόγω στατιστικών διακυμάνσεων ενώ ο Μάργαρης θεωρεί ότι αυτό δεν μπορεί να χαρακτηριστεί φαινόμενο Joule και ότι η χρήση του όρου είναι παιδαγωγικά προβληματική.”
Πρόταση …Να μπει ένα (;) στο τίτλο
Παντελή καλημέρα. Χαίρομαι που τα ξαναλέμε.
Προτείνεις στο τέλος του τίτλου της ανάρτησης να προστεθεί ένα ερωτηματικό, δηλαδή: “Φαινόμενο Joule χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα;”
Σχετικά με την πρότασή σου η άποψή μου είναι η εξής:
Οι αναγνώστες του ylikonet γνωρίζουν πολύ καλά ότι φαινόμενο Joule χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα, με τη μακροσκοπική και σχολική σημασία του όρου, δεν υπάρχει. Η ανάρτηση λοιπόν δεν επιχειρεί να ανατρέψει αυτή τη γνώση. Στόχος της είναι να φωτίσει τη διάκριση ανάμεσα σε μικροσκοπικές στατιστικές διακυμάνσεις ενέργειας σε μεταλλικό αγωγό χωρίς ρεύμα και στο μακροσκοπικό φαινόμενο Joule, το οποίο απαιτεί καθαρή ροή ενέργειας λόγω ρεύματος.
Μετά τη μελέτη της “Απάντησης”, που υπάρχει εδώ: Φαινόμενο Joule χωρίς ρεύμα – Πρότυπα Θέματα Φυσικής, νομίζω ότι το νόημα του τίτλου γίνεται σαφές: Η ανάρτηση αναφέρεται σε ένα στιγμιαίο, μικροσκοπικό ανάλογο του φαινομένου Joule, όχι στο μακροσκοπικό φαινόμενο, όπως το γνωρίζουμε από τη διδασκαλία. Από αυτή την άποψη νομίζω ότι ο τίτλος χωρίς ερωτηματικό δεν είναι παραπλανητικός
Εντάξει Ανδρέα ,
μόνο που αυτές οι “ μικροσκοπικές στατιστικές διακυμάνσεις ενέργειας σε μεταλλικό αγωγό χωρίς ρεύμα… “δεν νομίζω πως μπορούμε να τις βαφτίσουμε …φαινόμενο Joyle χωρίς ρεύμα.
Παντελή καλησπέρα.
Νομίζω ότι, για τις μικροσκοπικές, στατιστικές διακυμάνσεις ενέργειας σε μεταλλικό αγωγό χωρίς ρεύμα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον όρο “φαινόμενο Joule χωρίς ρεύμα”. Ο συγκεκριμένος όρος αποδίδει το νόημα του μικροσκοπικού φαινομένου, αρκεί να έχει οριστεί αυστηρά και σε αντιδιαστολή με τον καθιερωμένο όρο “φαινόμενο Joule”,
Καλησπέρα σας κι από εμένα. Ανδρέα θα εστιάσω λίγο στον ισχυρισμό σου “ότι στιγμιαία μπορεί να υπάρξει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ηλεκτρονίων και ιόντων λόγω στατιστικών διακυμάνσεων”. Τι ακριβώς εννοείς με τη φράση “λόγω στατιστικών διακυμάνσεων”; Το μυαλό μου πάει στην κινητική θεωρία των αερίων. Ας υποθέσουμε, με όσο ρίσκο εμπεριέχει αυτό, ότι η “θάλασσα” των ελεύθερων ηλεκτρονίων συμπεριφέρεται όπως τα μόρια ενός αερίου. Στη κινητική θεωρία, η μέση κινητική ενέργεια των μορίων (ιδανικού) αερίου είναι ευθέως ανάλογη με την απόλυτη θερμοκρασία του αερίου. Επομένως, μεταφέροντας αυτή τη λογική στα ελευθερα ηλεκτρόνια και τα ιόντα, για να έχουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια διαφορετική θερμοκρασία από τα ιόντα του μεταλλικού κρυστάλλου θα πρέπει η μέση κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων να είναι διαφορετική από τη μέση κινητική ενέργεια ταλάντωσης των ιόντων στον κρύσταλλο. Αυτό μπορώ να σκεφτώ εγώ. Επομένως προκύπτουν στο μυαλό μου δύο ερωτήματα.
Ερώτημα 1: Έχεις κάποια στοιχεία που να υποστηρίζουν αυτόν τον ισχυρισμό, ότι δηλαδή η μέση κινητική ενέργεια ηλεκτρονίων και ιόντων είναι διαφορετική;
Ερώτημα 2: Τι ακριβώς εννοείς λέγοντας “διαφορετική θερμοκρασία λόγω στατιστικών διακυμάνσεων”;
Θοδωρή καλημέρα.
Συμφωνώ ότι η θερμοκρασία ενός ολόκληρου θερμοδυναμικού συστήματος, όπως είναι ο μεταλλικός αγωγός, είναι μια σταθερή μακροσκοπική ποσότητα, χωρίς διακυμάνσεις.
Όμως τα υποσυστήματα του μεταλλικού αγωγού, δηλαδή το σύστημα των ελεύθερων ηλεκτρονίων και το σύστημα των ιόντων, βρίσκονται σε συνεχή, ακανόνιστη ανταλλαγή ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι η μέση ενέργεια κάθε υποσυστήματος δεν είναι σταθερή αλλά παρουσιάζει διακυμάνσεις.
Και επειδή η θερμοκρασία ορίζεται από τη μέση ενέργεια, οι διακυμάνσεις αυτές μεταφράζονται σε αντίστοιχες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας των υποσυστημάτων.
Ανδρέα καλησπέρα. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο αέρια στην ίδια θερμοκρασία και διαχωρίζονται με διάφραγμα μέσα σε ένα δοχείο. Αφού τα αέρια έχουν ίδια θερμοκρασία, τα μόριά τους θα έχουν και ίδια μέση κινητική ενέργεια. Αφαιρούμε το διαφραγμα και τα αέρια αναμειγνύονται. Θα υπάρχει διακύμανση στην μέση κινητική ενέργεια των μορίων των αερίων;
Θοδωρή καλησπέρα.
Η περίπτωση της ανάμειξης δύο αερίων την οποία αναφέρεις μοιάζει με την περίπτωση του συστήματος των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των ιόντων ενός μεταλλικού αγωγού, όταν τα δύο αέρια είναι διαφορετικά μεταξύ τους.
Μετά την ανάμειξή τους η θερμοκρασία ολόκληρου του θερμοδυναμικού συστήματος είναι μια σταθερή μακροσκοπική ποσότητα, χωρίς διακυμάνσεις.
Όμως τα μόρια του ενός αερίου βρίσκονται σε συνεχή, ακανόνιστη ανταλλαγή ενέργειας με τα μόρια του άλλου. Αυτό σημαίνει ότι η μέση ενέργεια κάθε υποσυστήματος δεν είναι σταθερή αλλά παρουσιάζει διακυμάνσεις.
Και επειδή η θερμοκρασία ορίζεται από τη μέση ενέργεια, οι διακυμάνσεις αυτές μεταφράζονται σε αντίστοιχες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας των υποσυστημάτων.
Η άποψη “Συμφωνώ ότι η θερμοκρασία ενός ολόκληρου θερμοδυναμικού συστήματος, όπως είναι ο μεταλλικός αγωγός, είναι μια σταθερή μακροσκοπική ποσότητα, χωρίς διακυμάνσεις.
Όμως τα υποσυστήματα του μεταλλικού αγωγού, δηλαδή το σύστημα των ελεύθερων ηλεκτρονίων και το σύστημα των ιόντων, βρίσκονται σε συνεχή, ακανόνιστη ανταλλαγή ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι η μέση ενέργεια κάθε υποσυστήματος δεν είναι σταθερή αλλά παρουσιάζει διακυμάνσεις.” ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ σωστή.
Αν η μέση ενέργεια ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ σταθερή, ΔΕΝ ΜΠΟΡΟΥΜΕ να ορίσουμε θερμοκρασία.
Ευχαριστώ πολύ για το σχόλιο. Μια διευκρίνιση:
Πριν από την κρίση “ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ σωστή” αναφέρονται δύο φράσεις:
Ποια από τις δύο είναι λανθασμένη;
Για τον κύριο Βολουδάκη. Ανταλλαγή ενέργειας υπάρχει, αλλά Η ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ της ενέργειας κάθε συστήματος παραμένει σταθερή. Διαφορετικά, όπως είπα, δεν ορίζεται η θερμοκρασία τους.
Καλησπέρα σε όλους.
Κύριε Βάρβογλη γράφετε:
Η ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ της ενέργειας κάθε συστήματος παραμένει σταθερή. Διαφορετικά, όπως είπα, δεν ορίζεται η θερμοκρασία τους.
Με το “παραμένει σταθερή” εννοείτε πως δεν μεταβάλλεται με τον χρόνο;
Εννοείτε ότι είναι η ίδια κάθε στιγμή σε όλη την έκταση του συστήματος;