Pergunte a Ethan No. 93: A Apple de Newton Aleatória
Se você combinar todos os movimentos aleatórios das moléculas internas, até que ponto e com que rapidez o sujeito se moverá?
Milhões viram maçãs caírem, e apenas Newton perguntou o porquê.
- Bernard Baruch
Um dos maiores prazeres de um cientista que escreve sobre tópicos favoritos para todos os interessados é que, de tempos em tempos, você encontra uma pessoa que se interessou por uma pergunta durante toda a vida, à qual não recebeu resposta. Se você tiver esse sentimento, pode me enviar sua pergunta e talvez tenha a mesma sorte que Mike, que pergunta:Essa pergunta me incomoda desde a infância. Se todo o movimento térmico aleatório das moléculas na maçã tomar a mesma direção, até onde a maçã irá viajar? E então o que vai acontecer?Se você pensa nos níveis microscópicos de objetos grandes, o que você imagina?
Células de maçã manchadas
Células de maçã não pintadas.Talvezvocê possa imaginar um nível celular aumentado centenas de vezes mais do que podemos ver através de um microscópio. Mas você pode ir ainda mais fundo.Cada célula consiste em organelas, cada organela tem seu próprio conjunto único de configurações moleculares que lhe dão estrutura e função, e cada molécula em si consiste de partículas menores: átomos, elétrons, núcleos e ainda menores, quarks e glúons.Talvez você imagine a menor das partículas de matéria e pense em como elas se movem para lá em uma maçã.
Se essa fosse uma imagem exata de uma maçã, para responder à pergunta de Mike, seria necessário medir a temperatura da maçã - por exemplo, seria a temperatura ambiente de 298 K - para calcular a massa de partículas, por exemplo, uma molécula de açúcar de 342,3 a. E. m., E use a teoria molecular cinética para descobrir a rapidez com que as moléculas se movem em média.Ele resultará em algo como 147 m / s, ou 529 km / h. Isso é três vezes mais rápido que uma maçã que sai de um canhão de maçã.
Se você conseguir captar toda a energia térmica dos movimentos desses átomos na maçã, e com 100% de eficiência convertê-la na energia cinética da maçã, será assim.Mas com esse raciocínio, existem dois problemas, ou melhor, dois motivos pelos quais uma maçã dessas coisas nunca será descartada.1) A lei irritante da conservação do momento. O movimento térmico é aleatório, o que significa que para cada átomo ou molécula se movendo em uma direção, há outro átomo ou molécula se movendo na direção oposta. Obviamente, componentes individuais podem se mover rapidamente, mas, em média, o momento de uma maçã é zero. Da mesma forma, uma maçã pode consistir em 10 27 prótons e 10 27elétrons, mas em média nenhuma força elétrica gigante é observada, pois sua carga total é equilibrada e igual a zero. Pela mesma razão, é impossível pegar uma configuração aleatória de energia e transformá-la em uma cinética direcional sem alguma compensação e sem um impulso igual e oposto ao movido na direção oposta à da maçã.Se essa fosse a única restrição, ele poderia ter sido enganado.Seria possível enviar uma pequena parte da massa de maçã em uma direção com a ajuda de uma recuperação: uma pequena massa salta de uma grande, que salta de uma massa ainda maior, e assim por diante.
Este método, a propósito, é muito importante para a física nuclear e funciona em um fenômeno conhecido como efeito Mossbauer ou ressonância gama nuclear. Ele torna os núcleos de cristal estacionários, o que leva a uma pequena mudança no momento de todo o cristal, o que faz com que partículas individuais (fótons) irradiem com enormes energias / velocidades. O efeito inverso de Mossbauer pode permitir que a maçã voe relativamente lentamente (147 m / s), enquanto uma pequena parte dela voa na outra direção com um tremendo impulso.Mas há uma segunda razão pela qual isso não acontecerá e é muito significativo.
2) Esses átomos não são livres, mas ligados a moléculas, que são principalmente ligadas em grandes estruturas sólidas. Anteriormente, imaginávamos átomos saltando um do outro - e ele descreve bem os líquidos, e ainda melhor - gases e plasma. Mas não podemos aplicar a mesma abordagem aos sólidos. Ficamos com movimento vibratório e rotacional, mas não com cinética livre e rápida.
Uma grande quantidade de energia é armazenada nas ligações do sólido, mas a energia térmica presente, que faz os átomos vibrarem, não é suficiente para romper essas ligações e, portanto, a maçã permanece no estado sólido.Para romper esses vínculos, você precisa de uma quantidade enorme de energia térmica, a qual não é possível obter a menos que seque a maçã, porque uma temperatura acima de 373 K simplesmente ferve toda a água dentro.
Se entendermos que em nossa maçã não existem moléculas livres e separadas de água, açúcar e outras moléculas, mas existem apenas estruturas grandes (como células), descobriremos que os movimentos “aleatórios” individuais são realmente muito menores. Mesmo se assumirmos (e isso será um enorme exagero) que a maçã é dividida em partículas que se movem livremente com uma massa de nanogramas, descobrimos que o movimento térmico é extremamente pequeno: as velocidades são de cerca de 100 mícrons por segundo.Em outras palavras, como a maçã é sólida e as moléculas dentro dela estão conectadas, esse movimento térmico não permitirá que você atinja uma velocidade perceptível. Mesmo se você tentar atingir esse estado, como resultado, obterá uma maçã quente que não se move para lugar nenhum.
E, embora essa possa não ser a resposta que você estava esperando, considerar as leis da física nos ajuda a estudar a natureza da matéria e a aprender um pouco mais sobre como o universo funciona. Envie-me suas perguntas e sugestões para os seguintes artigos.Source: https://habr.com/ru/post/pt397629/
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