Θερμότητα ή έργο;

Στο σχήμα, ένα σώμα Α υψηλής θερμοκρασίας έρχεται σε επαφή με ένα δεύτερο σώμα Β χαμηλότερης θερμοκρασίας. Τι ενεργειακή μεταβολή έχουμε;

Ένα “ανθρωπάκι” που ο κόσμος του είναι ο μικρόκοσμος και βλέπει μπροστά του τα άτομα των δύο σωμάτων, τι βλέπει; Βλέπει τα άτομα να “χοροπηδούν” ταλαντευόμενα γύρω από τις θέσεις ισορροπίας τους, οπότε σε μια στιγμή μπορεί να εστιάσει στα άτομα Α΄ και Β΄ τα οποία έτυχε να κινούνται αντίθετα, όπως στο σχήμα. Τα άτομα συγκρούονται κεντρικά και ελαστικά ανταλλάσσοντας ταχύτητες, οπότε με σύγκριση των μεταβολών των κινητικών του ενεργειών, λόγω κρούσης, συμπεραίνει ότι κινητική ενέργεια (άρα μηχανική) μεταφέρθηκε από το άτομο Α΄ στο Β΄ ή ισοδύναμα το άτομο Α΄ παρήγαγε έργο πάνω  στο άτομο Β΄.

Αλλά εμείς δεν ζούμε στον μικρόκοσμο. Ερμηνεύοντας το φαινόμενο δεν βλέπουμε να παράγεται κάποιο έργο. Μιλάμε για την θερμότητα που μεταφέρεται από το σώμα Α στο σώμα Β, αποδίδοντάς την σε αλληλεπιδράσεις στο μικρόκοσμο.

Ελπίζω όλοι να “βλέπουμε” θερμότητα…

Ερχόμαστε τώρα στο σώμα του σχήματος από σίδηρο, που ηρεμεί στο άκρο ελατηρίου σε λείο οριζόντιο επίπεδο. Πλησιάζουμε ένα μαγνήτη, με αποτέλεσμα να έλξουμε το σώμα και να το εκτρέψουμε από τη θέση ισορροπίας του. Μετά την απομάκρυνσή του το σώμα έχοντας κερδίσει ενέργεια, ταλαντώνεται. Μεταφέρθηκε ενέργεια, με αποτέλεσμα να ταλαντωθεί (ή αν ταλαντωνόταν να αυξηθεί η ενέργειά του), από τον μαγνήτη. Νομίζω ότι όλοι συμφωνούμε.

Οπότε έτσι φτάνουμε στην τριβή. Το σώμα Σ κινείται οριζόντια πάνω σε σταθερό επίπεδο με το οποίο εμφανίζει τριβές, όπως στο σχήμα. Ας γίνουμε “μικρά ανθρωπάκια” και ας παρακολουθήσουμε ένα άτομο του σώματος Σ, το οποίο αλληλεπιδρά με ένα “ακίνητο” άτομο του επιπέδου. Το έλκει με όμοιο τρόπο που ο μαγνήτης έλκει το παραπάνω σώμα στο ελατήριο. Αλλά τότε μέσω του έργου της δύναμης F μεταφέρεται ενέργεια στο άτομο του δαπέδου, από το σώμα Σ. Αυτό βέβαια δεν συμβαίνει μόνο με τα δυο άτομα του σχήματος, αλλά με ένα τεράστιο πλήθος ατόμων μεταξύ των δύο σωμάτων. Προφανώς η ενέργεια που μεταφέρεται μεταξύ ατόμων γίνεται με τυχαίο τρόπο, αλλά συνολικά μεταφέρεται ενέργεια μέσω όλων αυτών των απειροελάχιστων έργων του μικρόκοσμου από το σώμα Σ στο επίπεδο.

Το φαινόμενο μεταφοράς είναι πιο έντονο αν έχουμε ανωμαλίες, μεταξύ των επιφανειών, όπως στο σχήμα. Τότε η εγκοπή του Σ ασκεί δύναμη στην προεξοχή του δαπέδου και  δύναμη αυτή παράγει κάποιο έργο πάνω στην προεξοχή. Δηλαδή κάποια ενέργεια μεταφέρθηκε στο δάπεδο.

Βέβαια εμείς δεν είμαστε “μικρά ανθρωπάκια” και δεν βλέπουμε ούτε τα άτομα, ούτε τις μικρές ανωμαλίες των επιφανειών με γυμνό μάτι.

Και το ερώτημα είναι:

Τι βλέπουμε εμείς στον μακρόκοσμο:

1. Βλέπουμε το σώμα Σ να παράγει έργο πάνω στο δάπεδο, μεταφέροντας ενέργεια στο δάπεδο.
2. Βλέπουμε να μεταφέρεται ενέργεια από το σώμα Σ στο επίπεδο μέσω αλληλεπιδράσεων των δομικών λίθων των δύο επιφανειών που τρίβονται. Μηχανισμός όπως και στην αρχική περίπτωση με τις διαφορετικές θερμοκρασίες. Λέμε τότε ότι κάποια ενέργεια μεταφέρεται από το σώμα Σ στο δάπεδο και αυτή την αποκαλούμαι Θερμότητα.
3. Το ίδιο είναι. Έτσι και αλλιώς ωραίοι είμαστε.

Άλλωστε είμαστε πολλοί συνεπείς να διδάξουμε στις τάξεις στα παιδιά, ότι η αντίδραση της τριβής Τ1 που ασκείται στο έδαφος, στο ακίνητο έδαφος, παράγει έργο…

Μπορείτε να το κατεβάσετε σε αρχείο pdf.