إذا جمعت بين كل الحركات العشوائية للجزيئات الداخلية ، فكم مدى سرعة تحرك الهدف؟

رأى الملايين سقوط التفاح ، وسأل نيوتن فقط لماذا.
- برنارد باروخ

واحدة من أعظم متع عالم يكتب عن المواضيع المفضلة لجميع القادمين هو أنه من وقت لآخر تصادف شخصًا مهتمًا بسؤال طوال حياته لم يتلق إجابة عليه. إذا كان لديك هذا الشعور ، يمكنك أن ترسل لي سؤالك ، وربما ستكون محظوظًا مثل مايك ، الذي يسأل:

هذا السؤال أزعجني منذ الطفولة. إذا كانت كل الحركة الحرارية العشوائية للجزيئات في التفاحة تأخذ نفس الاتجاه ، إلى أي مدى ستسافر التفاحة؟ ثم ماذا سيحدث؟

إذا كنت تفكر في المستويات الميكروسكوبية للأجسام الكبيرة ، فماذا تتخيل؟

خلايا التفاح الملطخة

خلايا التفاح غير المطلية:

ربما يمكنك تخيل مستوى خلوي زاد مئات المرات أكثر مما يمكننا رؤيته من خلال المجهر. ولكن يمكنك التعمق أكثر.

تتكون كل خلية من عضيات ، وكل عضية لها مجموعتها الفريدة من التكوينات الجزيئية التي تعطيها البنية والوظيفة ، وكل جزيء نفسه يتكون من جزيئات أصغر: الذرات والإلكترونات والنوى وحتى الأصغر ، الكواركات والغلونات.

ربما تتخيل أصغر جزيئات المادة ، وتفكر في كيفية تحركها هناك في تفاحة.

إذا كانت هذه صورة دقيقة للتفاح ، فعندئذ للإجابة على سؤال مايك ، سيكون من الضروري قياس درجة حرارة التفاحة - على سبيل المثال ، ستكون درجة حرارة الغرفة 298 كلفن - لحساب كتلة الجسيمات ، على سبيل المثال ، جزيء السكر 342.3 أ. على سبيل المثال ، واستخدام النظرية الجزيئية الحركية لمعرفة مدى سرعة تحرك الجزيئات في المتوسط.

سوف تتحول إلى شيء مثل 147 م / ث ، أو 529 كم / ساعة. هذا أسرع بثلاث مرات من تفاحة تطير من مدفع التفاح.

إذا تمكنت من التقاط كل الطاقة الحرارية لحركات هذه الذرات في التفاح ، وبكفاءة 100 ٪ تترجمها إلى الطاقة الحركية للتفاح ، فسوف تتحول بهذه الطريقة.

ولكن مع هذا المنطق ، هناك مشكلتان ، أو بالأحرى ، سببان لعدم التخلص من مثل هذه الأشياء أبدًا.

1) القانون المزعج للحفاظ على الزخم. الحركة الحرارية عشوائية ، مما يعني أنه لكل ذرة أو جزيء يتحرك في اتجاه واحد ، توجد ذرة أو جزيء آخر يتحرك في الاتجاه المعاكس. بالطبع ، يمكن للمكونات الفردية أن تتحرك بسرعة ، ولكن في المتوسط يكون زخم التفاح صفرًا. وبالمثل ، يمكن أن تتكون التفاحة من 10 ²⁷ بروتون و 10 ²⁷الإلكترونات ، ولكن في المتوسط لم يلاحظ أي قوى كهربائية عملاقة ، لأن شحنتها الإجمالية متوازنة ومساوية للصفر. وللسبب نفسه ، من المستحيل أخذ تكوين عشوائي للطاقة وتحويلها إلى حركية اتجاهية دون بعض التعويض ، وبدون دفع متساوٍ وموجه بالعكس يتحرك في الاتجاه المعاكس للتفاح.

إذا كان هذا هو القيد الوحيد ، لكان قد تم خداعه.

سيكون من الممكن إرسال جزء صغير من كتلة التفاح في اتجاه واحد بمساعدة انتعاش: كتلة صغيرة ترتد عن كتلة كبيرة ، والتي ترتد حتى كتلة أكبر ، وهكذا.

هذه الطريقة ، بالمناسبة ، مهمة جدًا للفيزياء النووية ، وتعمل في ظاهرة تعرف باسم تأثير موسباور أو رنين غاما نووي. يجعل النوى البلورية ثابتة ، مما يؤدي إلى تغيير طفيف في زخم البلورة بأكملها ، مما يؤدي إلى إشعاع الجسيمات الفردية (الفوتونات) مع طاقات / سرعات ضخمة. يمكن أن يسمح تأثير Mossbauer المعكوس للتفاح بالتحليق ببطء نسبيًا (147 م / ث) ، في حين أن جزءًا صغيرًا منه سيطير في الاتجاه الآخر مع دفعة كبيرة.

ولكن هناك سبب آخر لعدم حدوث ذلك ، وهو مهم للغاية.

2) هذه الذرات ليست حرة ، ولكنها مرتبطة بجزيئات ، ترتبط بشكل أساسي ببعضها البعض في هياكل صلبة كبيرة. في السابق ، كنا نتخيل ذرات ترتد من بعضها البعض - وتصف السوائل جيدًا ، بل والأفضل - الغازات والبلازما. لكن لا يمكننا تطبيق نفس النهج على المواد الصلبة. نحصل على حركة اهتزازية ، دورانية ، ولكن ليس حركية وسريعة.

يتم تخزين كمية كبيرة من الطاقة في روابط المادة الصلبة ، لكن الطاقة الحرارية الموجودة ، والتي تجعل الذرات تهتز ، لا تكفي لكسر هذه الروابط ، وبالتالي ، تبقى التفاح في الحالة الصلبة.

لكسر هذه الروابط ، تحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة الحرارية ، والتي لا يمكنك تحقيقها ما لم تجفف التفاح ، لأن درجة حرارة أعلى من 373 كلفن ستغلي ببساطة كل الماء بداخلها.

إذا فهمنا أنه لا توجد جزيئات منفصلة وحرة من الماء والسكر والجزيئات الأخرى في تفاحة لدينا ، ولكن لا توجد سوى هياكل كبيرة (مثل الخلايا) ، فسوف نجد أن الحركات الفردية "العشوائية" أصغر في الواقع. حتى لو افترضنا (وستكون هذه مبالغة كبيرة) أن التفاح مقسم إلى جسيمات متحركة بحرية بكتلة من النانوجرام ، نجد أن حركتها الحرارية صغيرة للغاية: السرعات حوالي 100 ميكرون في الثانية.

بعبارة أخرى ، بما أن التفاحة صلبة والجزيئات الموجودة بداخلها ، فإن هذه الحركة الحرارية لن تسمح لك بتحقيق سرعة ملحوظة. حتى إذا حاولت تحقيق هذه الحالة ، فستحصل نتيجة لذلك على تفاحة دافئة لا تتحرك في أي مكان.

وعلى الرغم من أن هذا قد لا يكون الجواب الذي كنت تنتظره ، إلا أن النظر في قوانين الفيزياء يساعدنا على دراسة طبيعة المادة ومعرفة المزيد عن كيفية عمل الكون. أرسل لي أسئلتك واقتراحاتك للمقالات التالية.

اسأل إيثان رقم 93: تفاحة عشوائية نيوتن

إذا جمعت بين كل الحركات العشوائية للجزيئات الداخلية ، فكم مدى سرعة تحرك الهدف؟

More articles: