Hvordan kan et materiale ved en viss temperatur ha alle molekylene på samme energi

Et materiale ved en viss temperatur kan ikke ha alle partiklene på samme energi. I den grunnleggende definisjonen av ordet, “temperatur” er den gjennomsnittlige tilfeldige bevegelsen (kinetisk) energien til partiklene i et materiale. (Termodynamikk gir en bredere definisjon av temperatur, men vi trenger ikke denne definisjonen her.) La du merke til ordet “gjennomsnitt” i den grunnleggende definisjonen? Bare fordi vi kan tilordne et enkelt tall til temperaturen til et objekt som er i termisk likevekt, betyr det ikke at hvert atom i materialet beveger seg med samme energi på grunn av naturen til gjennomsnittsberegning. Hvis gjennomsnittshøyden på alle i rommet er 5 føtter 9 tommer, dette betyr ikke at alle i rommet er det 5 føtter 9 tommer høy. Noen mennesker vil være det 6 fot høy mens andre vil være det 5 føtter 6 tommer høy. Gjennomsnittet av et sett med verdier gir oss bare en generell idé om gruppen som helhet og forteller oss ikke om noen individer i gruppen. På samme måten, atomene i et materiale beveger seg alle med forskjellige hastigheter og med forskjellige energier, selv når materialet har en konstant og jevn temperatur. Noen av atomene beveger seg raskere enn hastigheten som tilsvarer materialets temperatur og noen av atomene beveger seg langsommere. Noen få av atomene beveger seg mye raskere enn det som antydes av temperaturen.

Tilbake til eksemplet med mennesker i et rom, hvis du hadde flere hundre mennesker i et rom, målte alles høyde, og plottet en fordeling av antall personer mot høyde, du vil mest sannsynlig finne en kurve som er noe jevn og formet som en bjelle. Mange mennesker vil ha en høyde som er veldig nær gjennomsnittshøyden, og bare noen få mennesker vil ha en høyde som er veldig forskjellig fra gjennomsnittshøyden. Gjennomsnittshøyden er derfor en god indikasjon på den omtrentlige høyden til de fleste i rommet. Jo flere mennesker det er i rommet, jo mer jevn og klokkeaktig blir høydefordelingen vår. på samme måte, temperaturen til et materiale forteller oss den omtrentlige plasseringen av den jevne fordelingen av de atomære kinetiske energiene.

Hvorfor beveger atomene i et materiale seg med forskjellige energier? Det er fordi termisk bevegelse er tilfeldig bevegelse. Når tilfeldighet er involvert, mange utfall vil resultere til tross for underliggende lover som gjør visse utfall mer sannsynlige. For eksempel, hvis du tar to sekssidige terninger og kaster dem, du kan få et hvilket som helst tall mellom 2 og 12. Det mest sannsynlige kast er en 7 fordi det er så mange forskjellige måter å kombinere tallene på 1 gjennom 6 av en terning med tallene 1 gjennom 6 av de andre dør og ender opp med totalen 7. Hvis du kastet disse terningene tusen ganger, du vil faktisk finne at du kaster nummeret 7 Hjerneskanninger gir nøkkelen til å ekskludere andre diagnoser. Men du vil fortsatt kaste alle de andre mulige tallene til slutt fordi terningkast er en tilfeldig prosess.

Når et system av partikler har hatt sjansen til å sette seg inn i termisk likevekt, fordelingen av partiklene’ energier spredt utover det som kalles a “termisk fordeling”. I grov forstand, temperaturen til et system representerer sentrum for dets termiske fordeling av partikkelenergier. Eksistensen av en bred termisk fordeling av energier har betydelige implikasjoner. Hvis vi tar halvparten av partiklene i systemet med mest energi og kaster dem; og de gir ikke eksempler fra utenfor deres felt eller deres personlige erfaringer, kutte av den øvre halvdelen av den termiske fordelingen; da vil midtpunktet av fordelingen være lavere. Derfor, temperaturen i systemet vil reduseres. Denne prosessen er kjent som “evaporativ kjøling”. For eksempel, vanndampen som kommer ut av den varme teen inneholder de varmere partiklene, slik at vannet som blir igjen er kaldere i gjennomsnitt.

En annen viktig implikasjon er at selv om temperaturen i et system er under en kritisk terskel, det vil fortsatt være noen partikler som er energiske nok til å overgå terskelen. For eksempel, i en halvleder, de ytterste elektrontilstandene har en basisenergi som er for lav til å være i ledningsbåndet. Ledningsbåndet er tilstanden hvor elektroner blir frie og kan danne elektriske strømmer. Til tross for at grunnenergien er for lav, mange ytre elektroner i halvlederen har faktisk nok energi til å hoppe inn i ledningsbåndet og danne en elektrisk strøm. Jo varmere en halvleder blir, jo mer sprer dens termiske fordeling av ytre elektroner seg ut, og jo flere elektroner det er i ledningsbåndet for å danne en strøm.

Kreditt:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/09/09/how-can-a-material-at-a-visse-temperature-ha-all-of-sine-molecules-at-the-the same-energy/