Tanyakan Ethan No. 93: Apple Newton Acak
Jika Anda menggabungkan semua gerakan acak molekul internal, seberapa jauh dan seberapa cepat subjek akan bergerak?
Jutaan orang melihat apel jatuh, dan hanya Newton yang bertanya mengapa.
- Bernard Baruch
Salah satu kesenangan terbesar dari seorang ilmuwan yang menulis tentang topik favorit untuk semua pendatang adalah bahwa dari waktu ke waktu Anda menjumpai seseorang yang telah tertarik pada pertanyaan seumur hidupnya yang belum ia terima jawabannya. Jika Anda memiliki perasaan ini, Anda dapat mengirim saya pertanyaan Anda, dan mungkin Anda akan seberuntung Mike, yang bertanya:Pertanyaan ini telah mengganggu saya sejak kecil. Jika semua gerakan termal acak dari molekul dalam apel mengambil arah yang sama, seberapa jauh apel akan bergerak? Lalu apa yang akan terjadi?Jika Anda berpikir tentang tingkat mikroskopis benda besar, apa yang Anda bayangkan?
Sel-sel apel bernoda
Sel-sel apel yang tidak dicat.Mungkin Anda dapat membayangkan tingkat sel meningkat ratusan kali lebih banyak daripada yang dapat kita lihat melalui mikroskop. Tapi Anda bisa masuk lebih dalam.Setiap sel terdiri dari organel, masing-masing organel memiliki rangkaian konfigurasi molekul unik yang memberikan struktur dan fungsi, dan masing-masing molekul itu sendiri terdiri dari partikel yang lebih kecil: atom, elektron, inti, dan yang lebih kecil lagi, quark dan gluon.Mungkin Anda membayangkan partikel terkecil dari materi, dan memikirkan bagaimana mereka bergerak di sana dalam sebuah apel.
Jika ini adalah gambar persis apel, maka untuk menjawab pertanyaan Mike, perlu untuk mengukur suhu apel - misalnya, akan menjadi suhu ruangan 298 K - untuk menghitung massa partikel, misalnya, molekul gula 342,3 a. E. m., Dan gunakan teori molekul kinetik untuk mengetahui seberapa cepat molekul bergerak rata-rata.Ini akan menghasilkan sekitar 147 m / s, atau 529 km / jam. Ini tiga kali lebih cepat daripada sebutir apel yang keluar dari meriam apel.
Jika Anda berhasil menangkap semua energi termal dari pergerakan atom-atom ini dalam apel, dan dengan efisiensi 100% menerjemahkannya menjadi energi kinetik apel, maka akan berubah menjadi seperti itu.Tetapi dengan alasan seperti itu, ada dua masalah, atau lebih tepatnya, dua alasan mengapa sebutir apel seperti itu tidak akan pernah dibuang.1) Hukum kekekalan tentang konservasi momentum. Gerakan termal adalah acak, yang berarti bahwa untuk setiap atom atau molekul yang bergerak dalam satu arah, ada atom atau molekul lain yang bergerak dalam arah yang berlawanan. Tentu saja, komponen individu dapat bergerak cepat, tetapi rata-rata momentum apel adalah nol. Demikian pula, sebuah apel dapat terdiri dari 10 27 proton dan 10 27elektron, tetapi rata-rata tidak ada gaya listrik raksasa yang diamati, karena muatan totalnya seimbang dan sama dengan nol. Untuk alasan yang sama, tidak mungkin untuk mengambil konfigurasi energi acak dan mengubahnya menjadi kinetik terarah tanpa kompensasi, dan tanpa momentum yang diarahkan sama dan berlawanan, bergerak berlawanan arah dengan apel.Jika ini adalah satu-satunya batasan, dia bisa saja diperdaya.Seseorang dapat mengirim sebagian kecil massa apel ke satu arah dengan bantuan rebound: massa kecil memantul dari yang besar, yang memantul yang lebih besar, dan seterusnya.
Omong-omong, metode ini sangat penting untuk fisika nuklir, dan bekerja dalam fenomena yang dikenal sebagai efek Mossbauer atau resonansi gamma nuklir. Itu membuat inti kristal stasioner, yang mengarah ke perubahan kecil dalam momentum seluruh kristal, yang menyebabkan partikel individu (foton) dipancarkan dengan energi / kecepatan besar. Efek terbalik Mossbauer dapat membuat apel terbang relatif lambat (147 m / s), sementara sebagian kecilnya akan terbang ke arah lain dengan momentum yang luar biasa.Tetapi ada alasan kedua mengapa ini tidak akan terjadi, dan ini sangat penting.
2) Atom-atom ini tidak bebas, tetapi terikat ke dalam molekul, yang terutama terikat bersama menjadi struktur padat besar. Sebelumnya, kami membayangkan atom memantul satu sama lain - dan itu menggambarkan cairan dengan baik, dan bahkan lebih baik - gas dan plasma. Tapi kita tidak bisa menerapkan pendekatan yang sama pada padatan. Kita mendapatkan getaran, gerakan rotasi, tetapi tidak kinetik bebas dan cepat.
Sejumlah besar energi disimpan dalam ikatan padatan, tetapi hadir energi panas, yang membuat atom bergetar, tidak cukup untuk memutus ikatan ini, dan oleh karena itu, apel tetap dalam keadaan padat.Untuk memutus ikatan ini, Anda memerlukan sejumlah besar energi panas, yang tidak dapat Anda capai kecuali Anda mengeringkan apel, karena suhu di atas 373 K hanya akan mendidihkan semua air di dalamnya.
Jika kita memahami bahwa di dalam apel kita tidak ada molekul air, gula dan molekul lain yang terpisah dan bebas, tetapi hanya ada struktur besar (seperti sel), kita akan menemukan bahwa gerakan "acak" individu sebenarnya jauh lebih kecil. Bahkan jika kita mengasumsikan (dan ini akan menjadi sangat berlebihan) bahwa apel dibagi menjadi partikel yang bergerak bebas dengan massa nanogram, kami menemukan bahwa gerakan termal mereka sangat kecil: kecepatannya sekitar 100 mikron per detik.Dengan kata lain, karena apel itu padat, dan molekul-molekul di dalamnya terhubung, gerakan termal ini tidak akan memungkinkan Anda untuk mencapai kecepatan yang nyata. Bahkan jika Anda mencoba mencapai kondisi ini, akibatnya Anda akan mendapatkan apel hangat yang tidak bergerak ke mana-mana.
Dan meskipun ini mungkin bukan jawaban yang Anda tunggu-tunggu, mengingat hukum fisika membantu kita mempelajari sifat materi dan belajar sedikit lebih banyak tentang bagaimana alam semesta bekerja. Kirimkan saya pertanyaan dan saran Anda untuk artikel berikut.Source: https://habr.com/ru/post/id397629/
All Articles