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
Ναι κύριε Κυριακόπουλε, αυτός είναι ο ορισμός της θερμοδυναμικής ισορροπίας. Η μέση χρινική τιμή της ενέργειας είναι σταθερή και ίση με τη μέση χωρική.
Φοβάμαι ότι παρεξηγώ κάτι από όσα λέτε.
Για παράδειγμα έχουμε σε ένα μπαλόνι με αέρα (δηλαδή μίγμα αερίων).
Το μπαλόνι επιτρέπει μια αργή αποβολή θερμότητας από τον αέρα εντός του στο περιβάλλον.
Η μέση ενέργεια κάθε συστατικού του αέρα είναι ίδια κάθε στιγμή σε όλη την έκταση του αέρα εντός του μπαλονιού.
Όμως η μέση ενέργεια κάθε συστατικού (και όλου του μίγματος) μειώνεται με τον χρόνο.
Δεν ορίζεται κάθε στιγμή θερμοκρασία του αέρα του μπαλονιού;
Τώρα είναι 20 οC ενώ πριν λίγο ήταν 21 οC.
Αν το μπαλόνι χάνει ενέργεια κύριε Κυριακόπουλε, δεν είναι σε θερμοδυναμική ισορροπία. Σε αυτή την περίπτωση δεν ορίζεται θερμοκρασία. Αν προσπαθήσετε να χρησιμοποιήσετε τύπους που ισχύουν για θερμοδυναμική ισορροπία, θα πάρετε διαφορετικά αποτελέσματα για κάθε τύπο.
Πάλι κάτι δεν καταλαβαίνω.
Ένα σχήμα:
Βλέπουμε μια αντιστρεπτή μεταβολή. Κάθε σημείο της γραμμής που την παριστάνει είναι μια κατάσταση ισορροπίας.
Σε κάθε σημείο δεν ορίζεται θερμοκρασία;
Μένει σταθερή η θερμοκρασία κατά τη μεταβολή;
Φυσικά αντιλαμβάνομαι ότι η αντιστρεπτή μεταβολή είναι κάτι ιδεατό αλλά η Θερμοδυναμική χρησιμοποιεί συνεχείς γραμμές που αντιπροσωπεύουν αντιστρεπτές μεταβολές. Κάθε σημείο της γραμμής είναι κατάσταση ισορροπίας και έχει (κάθε κατάσταση) τη θερμοκρασία της.
Έτσι διαβάζουμε ότι σε μία αντιστρεπτή ισοβαρή είναι σταθερό το πηλίκο V/T σε κάθε σημείο της γραμμής (Χαλιντέυ-Ρέσνικ κ..α).
Φυσικά σε κάθε αντιστρεπτή μεταβολή έχουμε μετάβαση από κατάσταση ισορροπίας σε κατάσταση ισορροπίας και όχι παραμονή σε μια κατάσταση ισορροπίας.
Μιλάμε όμως για θερμοκρασία σε κάθε κατάσταση και τελικά για μεταβολή της θερμοκρασίας.
(Μήπως άλλα λέτε και άλλα κατάλαβα;)
Να πω μερικά και εγώ για το θέμα που έβαλες και μάλιστα με τον τίτλο «Φαινόμενο Joule χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα.» Θα προσπαθήσω να περιγράψω τις διαφορές μεταξύ αυτού που κλασσικά ονομάζεται φαινόμενο Joule σε σχέση με τις τυχόν διακυμάνσεις ενέργειας μεταξύ ηλεκτρονίων και ιόντων σε ένα μεταλλικό αγωγό.
i) Κλασσικά το φαινόμενο Joule (θέρμανση Joule) είναι: Η μη αναστρέψιμη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα.
Σε μακροσκοπικό επίπεδο: Αυτό περιγράφει μια καθαρή, χρονικά μέση ροή ενέργειας από την ηλεκτρική πηγή στον αγωγό.
Το σύστημα δεν βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία.
Υπάρχει μια σταθερή ροή ενέργειας, όχι μόνο διακυμάνσεις.
Η θέρμανση Joule προκαλείται από μια παρατεταμένη, προκαλούμενη από το (ηλεκτρικό) πεδίο ανισορροπία στην ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ τους, η οποία οδηγεί σε μη αναστρέψιμη θέρμανση.
Προκύπτει από τη δυναμική των ηλεκτρονίων σε κατάσταση μη ισορροπίας και την μη αναστρέψιμη μεταφορά ενέργειας στο πλέγμα.
Πρόκειται για μια διαδικασία διάχυσης (dissipative) και όχι για ένα φαινόμενο διακύμανσης.
Η θέρμανση Joule απαιτεί:
Μια κινητήρια δύναμη (ηλεκτρικό πεδίο)
Μη αναστρεψιμότητα
Παραγωγή εντροπίας.
Αυτά ξέρουμε, νομίζω, όλοι για την έννοια ή φαινόμενο Joule.
Αυτό διαφέρει ριζικά από τις διακυμάνσεις ενέργειας μεταξύ ηλεκτρονίων και ιόντων σε ένα μεταλλικό αγωγό, όπου:
• Η ανταλλαγή ενέργειας εμφανίζει συμμετρικότητα αναστροφής χρόνου.
• Δεν συμβαίνει καθαρή θέρμανση.
• Διαδικασίες μηδενικής μέσης τιμής.
Σε ισορροπία:
• Η μέση ενέργεια του συστήματος ηλεκτρονίων και του συστήματος ιόντων είναι ανεξάρτητη από το χρόνο.
• Αυτό που κυμαίνεται είναι η στιγμιαία απόκλιση γύρω από αυτή τη μέση τιμή.
Εάν η μέση ενέργεια δεν ήταν σταθερή, το σύστημα δεν θα βρισκόταν σε ισορροπία.
Άρα συντάσσομαι με τους συναδέλφους που θεωρούν αδόκιμο τον τίτλο, και ότι παιδαγωγικά θολώνει την εικόνα για την θερμότητα Joule.
Ας ξεκαθαρίσουμε τα πράγματα κύριε Κυριακόπουλε. (α) Στη φυσική μελετάμε μοντέλα, όχι τη φύση. Εξ ού και οι αβαρείς τροχαλίες, η κίνηση χωρίς τριβή, οι αγωγοί χωρίς αντίσταση και οι αντιστρεπτές μεταβολές. (β) Στις αντιστρεπτές μεταβολές παντρεύουμε δύο έννοιες ασύμβατες: θερμοδυναμική ισορροπία και μεταφορά ενέργειας. (γ) Αν λοιπόν μιλάμε για θερμοδυναμική ισορροπία ενός συστήματος, ΕΞ ΥΠΟΘΕΣΕΩΣ η μέση χωρική τιμή της ενέργειας ανά μονάδα όγκου είναι σταθερή και ίση με τη μέση χρονική στιγμή. Η μέση τιμή δεν έχει διακυμάνσεις.
Άρη καλημέρα.
Λίγες σκέψεις με αφορμή το δικό σου σχόλιό σου καθώς και των άλλων εκλεκτών συνομιλητών:
Στο απλό και εύλογο ερώτημα “Όταν ένας μεταλλικός αγωγός δε διαρρέεται από ρεύμα, γιατί, αν και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συγκρούονται συνεχώς με τα ιόντα, η θερμοκρασία του αγωγού δεν αυξάνεται;” ο μαθητής ζητά μια απάντηση που να στηρίζεται στις γνώσεις του: Δεν ζητά Στατιστική Μηχανική και συμμετρίες αναστροφής χρόνου. Ζητά να βγάλει νόημα από αυτά που ήδη ξέρει:
θερμοκρασίαθερμότητασυγκρούσειςενέργεια.
Γι’ αυτό οι διδάσκοντες προσπαθούν να δώσουν την καλύτερη δυνατή απάντηση στο επίπεδο του μαθητή, όχι στο επίπεδο του πανεπιστημίου.
Και αυτό δεν είναι παραχώρηση: Είναι η μόνη οδός για να φτάσει ο μαθητής κάποτε στην πραγματική αυστηρότητα.
Αν η αυστηρότητα εμποδίζει την κατανόηση, τότε η αυστηρότητα μπορεί να περιμένει, η κατανόηση όχι.
Για τον κύριο Βολαδάκη. Η θερμοκρασία ενός (μονωμένου) σύρματος δεν μεταβάλλεται όταν αυτό δεν διαρρέεται από ρεύμα, επειδή όση ενέργεια κερδίζουν τα ηλεκτρόνια σε κρούσεις ενός είδους άλλη τόση χάνουν σε κρούσεις άλλου είδους. Το ίδιο συμβαίνει και με τα αέρια. Αυτή είναι η θερμοδυναμική ισορροπία, όπως γράφει το βιβλίο φυσικής Β’ Λυκείου (κατεύθυνσης): “Όταν σ’ ένα θερμοδυναμικό σύστημα οι θερμοδυναμικές μεταβλητές που το περιγράφουν διατηρούνται σταθερές με το χρόνο, το σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Σε αντίθετη περίπτωση το σύστημα μεταβάλλεται.”
Για το κύριο Βάρβογλη σχετικά με τον ισχυρισμό: “όση ενέργεια κερδίζουν τα ηλεκτρόνια σε κρούσεις ενός είδους άλλη τόση χάνουν σε κρούσεις άλλου είδους.”
Ερώτημα: Για απειροστό χρονικό διάστημα αυτό το ισοζύγιο δεν μπορεί να παραβιαστεί;
Για τον κύριο Βολαδάκη. Η μέση χρονική τιμή ΔΕΝ ΟΡΙΖΕΤΑΙ για απειροστά χρονικά διαστήματα.
Για τον κύριο Βάρβογλη, διευκρίνιση: Σύμφωνα με το σχολικό βιβλίο της Β Λυκείου ως μέση τιμή της ενέργειας των μορίων ιδανικού αερίου ορίζεται το άθροισμα: 1/2 m v_1^2+1/2 m v_2^2 +…1/2 m v_N^2, όπου Ν το πλήθος των μορίων. Αν θεωρήσουμε ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αποτελούν ιδανικό αέριο τότε, επειδή η ταχύτητές τους εξαρτώνται από το χρονική στιγμή, η μέση της ενέργειας των ηλεκτρονίων επίσης εξαρτάται από τη χρονική στιγμή. Συνεπώς κάποια στιγμή είναι δυνατό η μέση τιμή της ενέργειας των ηλεκτρονίων να είναι μικρότερη από τη μέση τιμή της ενέργειας των ιόντων.
(Στη πραγματικότητα το βιβλίο υπολογίζει τη μέση τιμή της ποσότητας 1/2 m v^2 για το άξονα x και κατόπιν περιλαμβάνει και τις συνεισφορές από τους άξονες y και z. Αλλά νομίζω ότι αυτό ότι δεν αλλάζει το επιχείρημα για τη εξάρτηση από το χρόνο.)
Για τον κύριο Βαλαδάκη. Γυρίζουμε σε κύκλους. Αν μιλάμε για θερμοδυναμική ισορροπία, τότε η μέση χρονική τιμή της ενέργειας ανά μονάδα όγκου είναι ΕΞ ΟΡΙΣΜΟΥ σταθερή.
Κύριε Βάρβογλη επειδή φαίνεται ότι χρησιμοποιούσαμε διαφορετικούς, μη ισοδύναμους ορισμούς για την έννοια μέση ενέργεια ιδανικού αερίου, κινούμασταν σε ομόκεντρους κύκλους, άρα μη τεμνόμενους. Ωστόσο θεωρώ ότι η εν λόγω συζήτηση ήταν γόνιμη.
Να συμπληρώσω ότι η θερμοδυναμική ΔΕΝ ΜΠΟΡΕΙ να προκύψει από τη μηχανική. Απαιτούνται ΕΠΙΠΛΕΟΝ αξιώματα, μεταξύ των οποίων και αυτό της θερμοδυναμικής ισοροπίας.