Constanta și temperatura lui Boltzmann; Povești cuantice
Domnul Ludwig Boltzmann
Există confuzie cu privire la conceptele de căldură și muncă. Credem că o astfel de confuzie este motivată de amalgamul de definiții și idei axiomatice și empirice care se amestecă atunci când se explică termodinamica.
În această postare, care va fi una dintre cele care vor alcătui un mini-curs numit Reflecții asupra termodinamicii, vom discuta și vom da părerea noastră despre caracterul constantei Boltzmann care este întotdeauna prezent în aceste întrebări. Am ales acest subiect pentru că vrem să oferim argumentele de ce temperatura este pur și simplu o măsură a energiei (de un fel) a unui sistem.
Temperatura
Temperatura este măsura mediei unei clase energetice, energie cinetică de translație.
Adică moleculele au diverse componente în energia lor. Moleculele pot face în general trei lucruri:
1.- O moleculă se poate mișca. Deci vom avea că energia sa cinetică va fi (energia cinetică a centrului său de masă).
2.- O moleculă se poate roti.
Moleculele, în general, au o structură tridimensională și pot avea rotații diferite în direcții diferite ale spațiului, ceea ce contribuie la energie.
3.- O moleculă poate vibra.
Moleculele sunt un set de atomi uniți prin legături chimice. Aceste legături nu sunt rigide, dar se comportă ca „arcuri” și molecula poate suferi vibrații.
Ceea ce măsurăm cu temperatura este energia cinetică translațională medie a unui set de molecule.
Unele molecule vor avea energie cinetică mai mare decât altele, dar ceea ce măsoară temperatura este tocmai energia cinetică a acestora în medie.
Temperatura nu ține cont de restul componentelor, deci măsurarea temperaturii nu este echivalentă cu măsurarea energiei interne a unui sistem. Sau altfel spus, două sisteme cu aceeași temperatură nu trebuie să aibă aceeași energie internă.
Este numărul mediu de mere exprimat în mere?
Când facem media, rezultatul are în general aceleași dimensiuni și unități ca și conceptul mediu, iar aici „în general” este folosit ironic. Deci nu ar trebui să măsurăm temperatura în unități de energie? Răspunsul este da, dar istoric nu ne-am dat seama că temperatura a fost o măsură a unei componente energetice a sistemelor până relativ recent (de la lucrările lui Boltzmann și Gibbs).