Hoe kan een materiaal bij een bepaalde temperatuur staan ​​haar moleculen aan dezelfde energie

Een materiaal bij een bepaalde temperatuur niet al zijn deeltjes met dezelfde energie. In de basis definitie van het woord, “temperatuur-” is de gemiddelde random bewegingsbeïnvloeding (kinetisch) energie van de deeltjes van een materiaal. (Thermodynamica geeft een ruimere definitie temperatuur, maar we weten niet deze definitie hier nodig hebben.) Hebt u het woord opmerken “gemiddelde” in de basisdefinitie? Alleen omdat we een enkel getal kunnen toewijzen aan de temperatuur van een object dat in thermisch evenwicht is, betekent niet dat elk atoom van het materiaal met dezelfde energie beweegt vanwege de aard van het middelen. Als de gemiddelde lengte van iedereen in de kamer is 5 voeten 9 inches, dit betekent niet dat iedereen in de kamer is 5 voeten 9 inches lang. Sommige mensen zullen 6 voeten lang terwijl anderen zullen zijn 5 voeten 6 inches lang. Het gemiddelde van een set van een waarden geeft ons slechts een algemeen idee van de groep als geheel en vertelt ons niet over een individu in de groep. Op dezelfde manier, de atomen in een materiaal allen bewegen met verschillende snelheden en met verschillende energieën, zelfs wanneer het materiaal een constante en uniforme temperatuur. Een deel van de atomen bewegen sneller dan de snelheid die overeenkomt met de temperatuur van het materiaal en een aantal van de atomen bewegen langzamer. Een paar van de atomen bewegen veel sneller dan wat wordt geïmpliceerd door de temperatuur.

Terugkomend op het voorbeeld van mensen in een kamer, als je een paar honderd mensen in een kamer had, ieders lengte gemeten, en uitgezet een verdeling van het aantal mensen versus lengte, je zou hoogstwaarschijnlijk een curve vinden die enigszins vloeiend is en de vorm heeft van een bel. Veel mensen zullen een lengte hebben die heel dicht bij de gemiddelde lengte ligt en slechts een paar mensen zullen een lengte hebben die heel anders is dan de gemiddelde lengte. De gemiddelde lengte is daarom een ​​goede indicatie van de geschatte lengte van de meeste mensen in de kamer. Hoe meer mensen er in de kamer zijn, hoe soepeler en klokachtiger onze hoogteverdeling zal zijn. evenzo, de temperatuur van een materiaal vertelt ons bij benadering de locatie van de soepele verdeling van de atomaire kinetische energieën.

Waarom bewegen de atomen van een materiaal met verschillende energieën?? Het is omdat thermische beweging willekeurige beweging is. Wanneer er sprake is van willekeur, veel uitkomsten zullen resulteren ondanks onderliggende wetten die bepaalde uitkomsten waarschijnlijker maken. Bijvoorbeeld, als je twee zeszijdige dobbelstenen neemt en ze gooit, je zou elk nummer kunnen krijgen tussen 2 en 12. De meest waarschijnlijke worp is een 7 omdat er zoveel verschillende manieren zijn om de getallen te combineren 1 door 6 van één dobbelsteen met de cijfers 1 door 6 van de andere sterven en eindigen met het totaal 7. Als je deze dobbelstenen duizend keer gooit, je zou inderdaad merken dat je het nummer gooit 7 meest voorkomend. Maar je zult uiteindelijk toch alle andere mogelijke getallen gooien, omdat het gooien van de dobbelstenen een willekeurig proces is.

Wanneer een systeem van deeltjes de kans heeft gehad om in thermisch evenwicht te komen, de verdeling van zijn deeltjes’ energieën verspreid over wat a . wordt genoemd “thermische distributie”. In ruwe zin, de temperatuur van een systeem vertegenwoordigt het centrum van zijn thermische verdeling van deeltjesenergie. Het bestaan ​​van een brede thermische verdeling van energieën heeft belangrijke implicaties. Als we de helft van de deeltjes in het systeem met de meeste energie nemen en weggooien; in essentie, afhakken van de bovenste helft van de thermische verdeling; dan zal het middelpunt van de verdeling lager zijn. daarom, de temperatuur van het systeem zal worden verlaagd;. Dit proces staat bekend als: “verdampingskoeling”. Bijvoorbeeld, de waterdamp die uit je hete thee komt, bevat de hetere deeltjes, zodat het water dat achterblijft gemiddeld kouder is.

Een andere belangrijke implicatie is dat zelfs als de temperatuur van een systeem onder een kritische drempel ligt, er zullen nog steeds enkele deeltjes zijn die energetisch genoeg zijn om de drempel te overschrijden. Bijvoorbeeld, in een halfgeleider, de buitenste elektronentoestanden hebben een basisenergie die te laag is om in de geleidingsband te zijn. De geleidingsband is de toestand waarin elektronen vrijkomen en elektrische stromen kunnen vormen. Ondanks dat de basisenergie te laag is, veel buitenste elektronen in de halfgeleider hebben inderdaad genoeg energie om in de geleidingsband te springen en een elektrische stroom te vormen. Hoe heter een halfgeleider wordt, hoe meer de thermische verdeling van buitenste elektronen zich uitspreidt, en hoe meer elektronen er in de geleidingsband zijn om een ​​stroom te vormen.

Credit:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/09/09/hoe-kan-een-materiaal-op-een-bepaalde-temperatuur-alle-van-zijn-moleculen-op-de-zelfde-energie/