by 
Τα Κονκόρντ ταξίδευαν με 700 m/s.
Σε μια πτήση είχαν ένα δοχείο 22,4 λίτρων με ήλιο σε πίεση μιας ατμόσφαιρας και θερμοκρασία 273 Κ.
Το δοχείο ήταν τέλεια θερμομονωτικό και είχε σταθερό όγκο.
Όταν αποβιβάστηκαν τι συνέβη με τη θερμοκρασία του ηλίου;
Έμεινε ίδια, αυξήθηκε ή ελαττώθηκε;
Τι να απαντήσουμε;
Συνάδελφοι Καλησπέρα
Δεν ξέρω αν κάνω Λάθος , αλλά έχω την αίσθηση ότι στριφογυρίζουμε γύρω από τα ίδια θέματα . Θέματα που φέρνουν στα όριά τους μοντέλα όπως το μοντέλο του Ιδανικού αερίου και τη θέρμανσή του…
Ο Γιάννης είχε βάλει και ερωτήματα με τοξοβόλους επιταχυνόμενους και κανείς δεν έφερε αντίρρηση όταν καταλήξαμε πως η εσωτερική ενεέργεια ( η οποία αυτή -και μόνο αυτή – σχετίζεται με την θερμοκρασία ) υπολογίζεται σε κάθε περίπτωση ως προς το σύστημα του κέντρου Μάζας δηλαδή αδρανειακό.
Είτε ένα δοχείο με αέριο επιβραδυνθεί απότομα ( κρουστικά) είτε επιβραδυνθεί ημιστατικά ( πολύ αργά και ομαλά , παραμένοντας διαρκώς σε κατάσταση Ισορροπίας ) είναι παντελώς αδιαόρο … Διότι θα επιβραδυνθεί και η κίνηση του Κέντρου μαζας. Η εσωτερική ενέργεια και η θερμοκρασία παραμένει η ίδια .
Αλ(λο)ίμονο αν ήταν διαφορετικά τα πράγματα. Τότε αν βάζαμε στον πάγκο του εργαστηρίου ένα ακίνητο δοχείο με αέριο Ήλιο και του χώναμε και ένα θερμόμετρο να βλέπεουμε την θερμοκρασία του εμείς στο εργατήριο και ένας από τους Αστροναύτες του ΙSS που περνά πάνω από το εγαστήριο την ίδια στιγμή … Ε θα διαβάζαμε διαφορετικές θερμοκρασίες ; ! Όχι βεβαίως.
Η Κινητική Ενέργεια που μετρά κάθε παρατηρητής είναι σχετική δηλαδή είναι διαφορετική για κάθε παρατηρητή ( όχι οι μεταβολές της ) . Αλλά και τα ποσοστά μεταβολών είναι διαφορετικά για κάθε παρατηρητή. Η Εσωτερική Ενέργεια όμως ορίζεται μόνο ως το κέντρο μάζας και έχει ΜΙΑ τιμή ._
Να το πούμε και αλλιώς η v(rms) ΔΕΝ ΜΕΤΑΒΑΛΛΕΤΑΙ και αυτό στατιστικά αποδεικνυεται διότι εδώ δεν έχουμε συγκρούσεις μόνο με το μπροστά τοίχωμα αλλά με όλα τα τοιχώματα… διότι η τυχαία θερμική κίνηση είναι προς όλες τις κατευθύνσεις ( Το 0 Κ απόλυτη θερμοκρασία δεν παίζει και δεν θα μπω σε κουβέντα τώρα για το αν υπάρχει Ιδανικό αέριο σε απόλυτο μηδέν . Και πολύ καλά κάνει που το επισημαίνει το μποτάκι του ΚΥΡΓιάννη)
Άρη και βέβαια το έργο των εξωτερικών δυνάμεων πάνω στο δοχείο εκφράζει μόνο την μεταβολή της Κινητικής ενέργειας του δοχείου εενοούμενου ως μια οντότητα ως προς οποιονδήποτε παρατηρητή. Η Εσωτερική ενέργεια δεν μεταβάλλεται και αυτό είναι δεδομένο αν δεν συμβεί εσωτερικά αλλαγή του χημικού δυναμικού ή κάποια άλλη μεταβολή στο αέριο π.χ. μεταστοιχείωση . ( υπέθεσα ακλόνητα και αδιαβατικά τοιχώματα ) .
Ελπίζω η συζήτηση να μην φτάσει στο πόσο υπολόγισε ο Αϊνστάϊν ότι μειώνεται η μάζα ενός λίτρου νερού όταν την βάλω στην κατάψυξη …
Μια προσπάθεια απάντησης
Προφανώς η συνολική εξωτερική δύναμη που δέχεται το αέριο από τα τοιχώματα του δοχείου επιβραδύνει τι κέντρο μάζας του αερίου και με το έργο της μηδενίζει την μεταφορική κινητική του ενέργεια. Αυτή η ενέργεια μέσω του έργου της συνολικής δύναμης που ασκεί το αέριο στο δοχείο μεταβιβάζεται στο δοχείο και το αεροπλάνο και τελικά έχει την ίδια τύχη με την υπόλοιπη κινητική ενέργεια του αεροπλάνου: Θερμική ενέργεια μέσω του έργου των τριβών που σταματάνε το αεροπλάνο. Η υπόλοιπη ενέργεια του αερίου δηλ η εσωτερική του ενέργεια δεν επηρεάζεται. Οπότε δεν αλλάζει η θερμοκρασία του.
Το αυγό του Κολόμβου ήταν μπροστά μας.
Αλλά … άλλα βλέπαμε!!!
Δημήτρη Γκενέ και Δημήτρη Βλάχο, έχετε δίκιο…
Ο Μήτσος το ανέλυσε και δεν σηκώνει αντίρρηση η σκέψη του, ενώ ο Δημήτρης έδωσε ερμηνεία για το τι βλέπει ένας ακίνητος παρατηρητής στο έδαφος, όπως… εμείς, αλλά με ανοικτά μάτια 🙂
Καλημέρα σας.
Καλημέρα παιδιά.
Μήτσο και Δημήτρη ευχαριστώ. Το πιο πιθανό είναι να έχετε δίκιο.
Βέβαια ένα πρόβλημα το έχω με τις προσομοιώσεις του Μάλινχοφ (που δεν βρίσκω και θα ανακατασκευάσω) και τη δική μου. Σ’ αυτές έχουμε μια μετατροπή οργανωμένης κινητικής ενέργειας σε ανοργάνωτη.
Σ’ αυτήν του Μάλινχωφ μερική μετατροπή, στη δική μου πλήρη μετατροπή.
Και οι δύο προσομοιώσεις έχουν αρχική κατάσταση που όλα τα μπαλάκια κινούνται μέ ίδιες ταχύτητες δηλαδή είναι ακίνητα ως προς το δοχείο αρχικά και δεν είναι τελικά.
Ποια η διαφορα απο το να το βαλεις σε ενα σεικερ και να το κουνας δεξια αριστερα? Θα θερμανθει τότε;Οι πολλες επαναληψεις ποιοτικα δεν εχουν διαφορα απο την μια επαναληψη.
Γειά χαρά σε όλους. Γιάννη ας προσπεράσουμε τη “μορφή” των φυσικών νόμων στα διάφορα συστήματα αναφοράς. Αυτό ακριβώς με σένα είπα, που αναφερθηκες σε υποθετικές δυνάμεις κατά την επιβράδυνση, μιλώντας για την αρχή της ισοδυναμίας της γενικής σχετικότητας. Αυτό είναι που μας ενδιαφέρει εδώ. Απάντησα στο θέμα όπως τίθεται στην αρχική του διατύπωση. Λέω λοιπόν εφόσον στην κινητική θεωρία των αερίων που συμπέρασμα της είναι οι σχέσεις που εφαρμόζουμε εδώ, δεν λαμβάνει υπόψη τη βαρύτητα της Γης (g=10m/s^2) γιατί να λαμβάνει υπόψη τις επιταχύνσεις ενός αεροπλάνου που μεταφέρει ανθρώπους; Οι τιμές τους δεν είναι της τάξεως της επιτάχυνσης g; Αν μιλάμε για 10000 φορές μεγαλύτερες επιταχύνσεις ή αντίστοιχα βαρυτικά πεδία τα πράγματα αλλάζουν και το να λαμβάνονται υπόψη στην κινητική θεωρία η βαρύτητα ή οι αντίστοιχες υποθετικές δυνάμεις μπορεί να είναι απαραίτητο. Πόσο μάλλον όταν το δοχείο βρίσκεται στο περιβάλλον μιας μαύρης τρύπας… Εκεί η γενική σχετικότητα είναι πλέον δεδομένα στο προσκήνιο. Στη φυσική είναι συνήθης πρακτική να μην λαμβάνονται υπόψη παράγοντες που ή επίδραση τους είναι αμελητέα. Με πιο τρανταχτό παράδειγμα να μη λαμβάνεται υπόψη η βαρυτική δύναμη στα ηλεκτρόνια των ατόμων. Με αυτές τις σκέψεις σε συνδυασμό με όσα ανέφερα στο 1ο σχόλιο μου, οδηγούμαι στο συμπέρασμα ότι η θερμοκρασία του αερίου παραμένει η ίδια. Και κάτι άλλο: Στο απόλυτο μηδέν η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του ήλιου δεν είναι μηδέν (ενέργεια μηδενικού σημείου) σύμφωνα με τη κβαντομηχανική.
To chatgpt έχει ξεπεραστεί.
Η ερώτηση της ανάρτησης από το gemini της google:
Η απάντηση είναι ότι η θερμοκρασία του ηλίου έμεινε ίδια (273 K).
Ας δούμε γιατί συμβαίνει αυτό, καταρρίπτοντας μια συνηθισμένη “παγίδα” που μπερδεύει την κινητική ενέργεια του συνόλου με τη θερμική ενέργεια.
1. Μακροσκοπική vs. Μικροσκοπική Κίνηση
Η θερμοκρασία ενός αερίου καθορίζεται αποκλειστικά από τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων του ως προς το κέντρο μάζας του δοχείου.
Μέσα στο αεροπλάνο: Τα άτομα του ηλίου κινούνται άτακτα προς όλες τις κατευθύνσεις (θερμική κίνηση). Παράλληλα, ολόκληρο το δοχείο κινείται με 700 m/s λόγω του Κονκόρντ.
Στο έδαφος: Το δοχείο σταματά, άρα η ταχύτητα των 700 m/s μηδενίζεται.
Όμως, η ταχύτητα του αεροπλάνου είναι μια συλλογική κίνηση (ordered motion). Όταν το αεροπλάνο προσγειώνεται, αυτή η κινητική ενέργεια “αφαιρείται” από το σύστημα ως σύνολο, αλλά δεν μετατρέπεται σε εσωτερική άτακτη κίνηση των μορίων, επειδή το δοχείο είναι σταθερό και δεν υπήρξε τριβή ή συμπίεση του αερίου.
2. Η Θερμοδυναμική Προσέγγιση
Σύμφωνα με τον Πρώτο Θερμοδυναμικό Νόμο:
ΔU = Q – W
Q = 0 : Το δοχείο είναι τέλεια θερμομονωτικό (αδιαβατικό), οπότε δεν ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον.
W = 0 : Ο όγκος είναι σταθερός, άρα το αέριο δεν παράγει ούτε δέχεται έργο (P ΔV = 0).
Εφόσον ΔU = 0 , η εσωτερική ενέργεια παραμένει σταθερή. Για ένα ιδανικό αέριο (όπως το ήλιο), η εσωτερική ενέργεια εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία:
U = 3/2 n R T
Αφού το U δεν αλλάζει, η θερμοκρασία T παραμένει ακριβώς η ίδια.
Με λίγα λόγια:
Το γεγονός ότι το δοχείο “έτρεχε” με 700 m/s δεν σημαίνει ότι τα μόρια “ζεσταθηκαν”. Η θερμοκρασία “κοιτάζει” μόνο το πόσο γρήγορα κουνιούνται τα μόρια αναμεταξύ τους μέσα στο κουτί, όχι το πόσο γρήγορα κινείται το κουτί στο χώρο.
Καλησπέρα Κωνσταντίνε.
Το ανεμιστηράκι το θερμαίνει. Το σέηκερ;
Καλησπέρα Γιώργο.
Πιθανότατα έχεις δίκιο. Δεν έχω απάντηση στο ερώτημα που έβαλα.
Βέβαια οι απορίες μου παραμένουν και θα επανέλθω φτιάχνοντας ο ίδιος τη χαμένη προσομοίωση του Μάλινχωφ και κάποια άλλα.
Καλησπέρα Κώστα.
Σε ευχαριστώ για την έρευνα που έκανες με το gemini.
Έχω απορίες βέβαια αλλά ….
Αφήνω για λίγο το αέριο και πάω σε κάτι γνωστό.
Είχα γράψει και εγώ πριν 4 χρόνια:
Συστήματα σωμάτων . Κέντρο μάζας.
Ένα σημείο του:
΅Έχω χάσει την εξαιρετική προσομοίωση του Τζων Μάλινχωφ και την ξανάφτιαξα.
Η προσομοίωση – ανακατασκευή:
Όμως μια και δεν έχουν όλοι οι φίλοι το ιντεράκτιβ φύζικς δύο εικόνες:
Το κέλυφος και τα μπαλάκια κινούνται με την ίδια ταχύτητα 4 m/s.
Είναι απολύτως ελαστικά σώματα και τα μπαλάκια και το κέλυφος.
Ένας παρατηρητής μέσα στο κέλυφος τα βλέπει ακίνητα. Αποφαίνεται ότι η κινητική ενέργεια του συστήματος είναι μηδέν.
Όμως μετά την κρούση με τον ελαστικό τοίχο:
,
Τα μπαλάκια έχουν διαφορετικές ταχύτητες. Ο παρατηρητής μας τα βλέπει να έχουν ενέργεια.
Τι βλέπει ο παρατηρητής μας;
Αρχικά:
Βλέπει τον τοίχο να έρχεται με 4 m/s.
Και τελικά:
Βλέπει τα μπαλάκια να έχουν αποκτήσει ταχύτητες και το σύστημα που αποτελούν κινητική ενέργεια..
Τροποποιώ την προσομοίωση:
Τα μπαλάκια έχουν μέση ταχύτητα 4m/s και το κέλυφος ταχύτητα 4m/s.
Βλέπουμε πριν την κρούση σταθερή κινητική ενέργεια σε μπαλάκια και κέλυφος.
Λογικό μια και οι κρούσεις είναι ελαστικές.
Μετά την κρούση έχουμε αύξηση της ενέργειας των μπαλακιών και μείωση αυτής του κελύφους.
Όμως η συνολική είναι σταθερή λόγω της ελαστικότητας των κρούσεων.
Τι συμβαίνει;
Μετατροπή οργανωμένης κινητικής ενέργειας σε ανοργάνωτη!
Είναι η μόνη μετατροπή οργανωμένης ενέργειας σε ανοργάνωτη;
Βλέπουμε στην εικόνα μια τέτοια μετατροπή.
Αν το υγρό είναι ιδανικό χωρίς ιξώδες, όταν θα εξισωθούν οι δύο στάθμες θα έχουμε ανοργάνωτες ροές επ’ άπειρον του νερού στο δεξί δοχείο. Μια ανοργάνωτη κινητική ενέργεια.
Αν το υγρό είναι πραγματικό θα ηρεμήσει και όλη η δυναμική ενέργεια θα γίνει θερμική τελικά.
Ένα δοχείο περιέχει νερό. Κινείται και επιβραδύνεται μέχρι να σταματήσει:
Η στάθμη του παύει να είναι οριζόντιο επίπεδο.
Ακολουθούν ταλαντώσεις μέχρι να ηρεμήσει τελικά.
Θερμάνθηκε το νερό;
Όταν άρχισε η ταλάντωση είχε ενέργεια και στο τέλος δεν έχει. Τι έγινε αυτή;
Αν τα μπαλάκια δεν είναι ακίνητα ως προς το δοχείο τι βλέπει ο παρατηρητής;
Μηδενική η μέση ταχύτητα που βλέπει.
Μετά την κρούση με τον τοίχο:
Βλέπει σημαντική αύξηση της κινητικής ενέργειας των μπαλακιών.