Καταστατικές μεταβλητές VS μεταβλητές μεταβολής/διαδρομής

Στη σχολική Φυσική του Λυκείου είναι χρήσιμο να κάνουμε μια καθαρή διάκριση ανάμεσα σε καταστατικές μεταβλητές και μεταβλητές μεταβολής/διαδρομής.

Καταστατικές μεταβλητές (ή συναρτήσεις κατάστασης) είναι μεγέθη των οποίων η τιμή καθορίζεται από την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το σύστημα και όχι από το πώς έφτασε εκεί.

Στο επίπεδο του Λυκείου συναντάμε κυρίως:

• πίεση (p), όγκο (V), θερμοκρασία (T), ποσότητα ύλης (n) ως μεταβλητές που περιγράφουν τη θερμοδυναμική κατάσταση,
• εσωτερική ενέργεια (U),
• κινητική ενέργεια (K),
• δυναμική ενέργεια (U) όταν αυτή μπορεί να οριστεί,
• μηχανική ενέργεια (E=K+U)

Για δύο δεδομένες καταστάσεις Α και Β, π.χ:      ΔU_AB = U_B – U_A

η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας είναι ίδια ανεξάρτητα από τη διαδικασία Α→Β.

Αντίθετα, μεγέθη μεταβολής ή διαδρομής είναι εκείνα που δεν χαρακτηρίζουν μια κατάσταση του συστήματος αλλά χαρακτηρίζουν μια διαδικασία μεταξύ δύο καταστάσεων. Εξ αυτών διδάσκουμε   το  έργο  W και τη θερμότητα Q.

Δεν έχει νόημα να πούμε «το σύστημα έχει έργο 20 J» ή «έχει θερμότητα 20 J». Έχει ενέργεια, αλλά ενέργεια μεταφέρεται μέσω έργου ή θερμότητας.

Σε αρκετές μορφές ενέργειας, η απόλυτη τιμή εξαρτάται από μια αυθαίρετη επιλογή επιπέδου αναφοράς. Γι’ αυτό στα φυσικά φαινόμενα συνήθως ενδιαφερόμαστε για τη μεταβολή της ενέργειας, η οποία δεν εξαρτάται από αυτή την επιλογή.

Άρα το φυσικό αποτέλεσμα δεν εξαρτάται από τη «λογιστική» επιλογή του μηδενός.

 ΠΡΟΣΟΧΗ  

Δεν πρέπει να συνδέουμε γενικά την έννοια «καταστατική μεταβλητή» με την έννοια «αυθαίρετο επίπεδο αναφοράς».

Γιατί δεν ισχύει για όλες τις καταστατικές μεταβλητές. Η πίεση, ο όγκος και η θερμοκρασία είναι μεταβλητές κατάστασης, αλλά δεν τις αντιμετωπίζουμε όπως τη δυναμική ενέργεια.

Ακόμη και μεταξύ των ενεργειακών μεγεθών υπάρχουν λεπτές διαφορές.

Ανακεφαλαιωση

1. Καταστατικό μέγεθος: η μεταβολή του μεταξύ Α και Β καθορίζεται από τις δύο καταστάσεις και όχι από τη διαδρομή: ΔE=E_B – E_A
2. Επιλογή μηδενικού: για ορισμένα καταστατικά ενεργειακά μεγέθη, όπως η δυναμική ενέργεια, μπορούμε να επιλέξουμε αυθαίρετα πού θα θέσουμε (U=0). Επομένως ιδιαίτερη φυσική σημασία έχουν οι μεταβολές ΔU_AB = U_B – U_A , η τιμή των οποίων δεν εξαρτάται από το επίπεδο μηδενικής τιμής του μεγέθους.

Αυτές είναι δύο διαφορετικές έννοιες που συχνά συμπίπτουν στα σχολικά παραδείγματα, και γι’ αυτό υπάρχει κίνδυνος να συγχωνευθούν στο μυαλό του μαθητή.

Προσωπικά θα απέφευγα το:

«Η δυναμική ενέργεια δεν έχει αξία, μόνο η μεταβολή της έχει.»

και θα προτιμούσα:

Η τιμή της δυναμικής ενέργειας αποκτά νόημα αφού δηλώσουμε το επίπεδο αναφοράς.

Η μεταβολή της, αντίθετα, δεν εξαρτάται από το ποιο επίπεδο αναφοράς επιλέξαμε.

Αυτή η διατύπωση κάνει κάτι πολύ σημαντικό: δεν απαξιώνει την τιμή. Το (U=50J) έχει απολύτως νόημα, εφόσον έχει συμφωνηθεί ποιο είναι το (U=0). Απλώς δεν είναι αναλλοίωτο ως προς την επιλογή αναφοράς.

Η συνέχεια εδώ