Scientia

Care este temperatura spaţiului cosmic, foarte departe, în hăurile intergalactice, unde găsim cam un atom de hidrogen într-un volum de un metru cub de vid? Poate un atom individual să fie cald sau rece? Se poate spune că un atom are 2 Kelvin? Citiţi acest articol pentru a afla răspunsurile...

INTRODUCERE

Care este temperatura spaţiului cosmic, foarte departe, în hăurile intergalactice, unde găsim cam un atom de hidrogen într-un volum de un metru cub de vid?
Poate un atom individual să fie cald sau rece?
Poate acesta avea o temperatură asociată?

Sună destul de straniu să spui că un atom are temperatura de -3⁰ Celsius, aşa că vom încerca în cele ce urmează să vedem dacă  se justifică sau nu o asemenea exprimare.

TEMPERATURA UNUI ATOM¹

Temperatura unui atom reprezintă de fapt măsura energiei cinetice a acestuia. Dacă un atom este perfect imobil atunci el se găseşte la 0 Kelvin (în prezent nu se mai foloseşte formularea "grade" Kelvin). Numai că atomul nu poate exista într-o asemenea stare (complet nemişcat), astfel că nu se poate găsi la exact 0 Kelvin. Ba mai mult, se mişcă extrem de repede, din ce în ce mai repede pe măsură ce temperatura creşte. La o mică fracţiune dintr-un grad peste zero absolut (mai exact la 700 nK, unde 1 nK = 10⁻⁹ K), atomul deja se mişcă cu aproximativ 1 centimetru pe secundă.

Pentru particulele subatomice energia se exprimă adesea în MeV sau GeV (multiplii ai electronvoltului). Un electron cu o energie de 1 GeV se mişcă cu o viteză apropiată de cea a luminii. Iar această viteză corespunde unei temperaturi de 11 mii de miliarde Kelvin².

TEMPERATURA MEDIE

În cazul unei grupări de atomi sau molecule, precum un gaz sau o structură cristalină, temperatura este dată de media temperaturilor atomilor sau moleculelor care constituie gruparea. Desigur, datorită coliziunilor şi interacţiunilor la nivel molecular, în cadrul unui grup de atomi sau molecule totalul energiei cinetice se va distribui în mod aproape uniform între componentele grupării.

CUM "ŞTIE" UN TERMOMETRU TEMPERATURA CORPULUI NOSTRU?

Dacă două sau mai multe sisteme sunt puse laolaltă, o parte a energiei celui mai cald va fi transferată către cel mai rece până când ambele vor ajunge la aceeaşi temperatură (adică până se ajunge la echilibru termic). Atunci când ne măsurăm temperatura corpului folosind un termometru, corpul se răceşte foarte puţin, iar termometrul preia această energie, încălzindu-se până la temperatura corpului nostru. Astfel că indicaţia termometrului dezvăluie temperatura corpului nostru, din moment ce aceste două valori sunt egale.

PRESIUNE ŞI VOLUM

Dacă se ia o anumită cantitate dintr-un gaz şi se pune în interiorul unui container, moleculele din compunerea gazului se ciocnesc permanent de pereţii containerului, creând o presiune la nivelul acestora.

Putem creşte numărul acestor coliziuni în trei moduri:

- prin creşterea numărului moleculelor de gaz din container (adăugarea de gaz suplimentar);

- prin creşterea energiei cinetice a atomilor din container, adică prin încălzirea gazului. Asta îi face să se mişte mai repede, odată cu asta crescând şi numărul de coliziuni ale fiecărui atom cu pereţii vasului;

- am putea micşora volumul containerului - micşorând deci şi volumul de gaz - astfel ca atomii individuali să aibă de parcurs distanţe mai mici până la a se ciocni de pereţii vasului.

Aceste observaţii conduc la legea gazului ideal care descrie relaţia dintre temperatura, volumul, presiunea şi cantitatea de gaz:

p = nRT/V,

cu p – presiunea gazului, n - numărul de moli de gaz, T - temperatura absolută a gazului, V -  volumul de gaz şi R - o constantă a gazelor ideale.

____
1. Nu putem vorbi despre temperatura unui atom izolat, din moment ce temperatura descrie, prin definiţie, mişcarea aleatorie a unui grup de atomi sau molecule. La scară microscopică, temperatura poate fi definită ca fiind energia medie a particulelor unui sistem  şi este o proprietate de natură statistică, astfel că sistemul trebuie să conţină mai multe particule pentru ca definiţia să aibă sens. Conform wikipedia, temperatura unui gaz ideal monoatomic (ale cărei molecule sunt formate dintr-un singur atom) este legată de energia cinetică medie a atomilor constituenţi. Astfel că ideile enunţate mai sus nu capătă sens decât în contextul unei discuţii despre o grupare de atomi şi nu se referă la un atom izolat.

2. E_Totală = E_Repaus X Gamma;  unde Gamma = 1/√(1-v²/c²); v=0.99999975c; (iar pentru a folosi  electronvoltul ca unitate de măsură a temperaturii, conversia la grade Kelvin se face folosind k_B, constanta lui Boltzman:  K = 1eV/k_B = (1.6 x 10-19 J) / (1.38 x 10-23 J/K) = 11,600 Kelvin). 

Citiţi şi articolele următoare:
Zero absolut
Cum se transferă căldura?
Celsius, Fahrenheit şi Kelvin.

_______
Notă: articolul de mai sus este reproducerea textului folosit în film (excepţie face observaţia nr. 1, care ne aparţine).
Traducerea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com