Como pode um material a uma determinada temperatura ter todas as suas moléculas com a mesma energia

Um material a uma determinada temperatura não pode ter todas as suas partículas com a mesma energia. Na definição básica da palavra, “temperatura” é o movimento aleatório médio (cinética) energia das partículas de um material. (A termodinâmica dá uma definição mais ampla à temperatura, mas não precisamos dessa definição aqui.) Você notou a palavra “média” na definição básica? Só porque podemos atribuir um único número à temperatura de um objeto que está em equilíbrio térmico não significa que todos os átomos do material estão se movendo com a mesma energia devido à natureza da média.. Se a altura média de todos na sala for 5 pés 9 polegadas, isso não significa que todos na sala estejam 5 pés 9 polegadas de altura. Algumas pessoas serão 6 pés de altura, enquanto outros serão 5 pés 6 polegadas de altura. A média de um conjunto de valores apenas nos dá uma ideia geral do grupo como um todo e não nos diz sobre nenhum indivíduo do grupo.. Do mesmo jeito, os átomos em um material estão todos se movendo em diferentes velocidades e com diferentes energias, mesmo quando o material tem uma temperatura constante e uniforme. Alguns dos átomos estão se movendo mais rápido do que a velocidade correspondente à temperatura do material e alguns dos átomos estão se movendo mais devagar. Alguns dos átomos estão se movendo muito mais rápido do que o que está implícito pela temperatura.

Voltando ao exemplo das pessoas em uma sala, se você tivesse várias centenas de pessoas em uma sala, mediu a altura de todos, e traçou uma distribuição do número de pessoas versus altura, você provavelmente encontraria uma curva um pouco suave e com a forma de um sino. Muitas pessoas terão uma altura muito próxima da altura média e apenas algumas pessoas terão uma altura muito diferente da altura média. A altura média é, portanto, uma boa indicação da altura aproximada da maioria das pessoas na sala. Quanto mais pessoas houver na sala, mais suave e em forma de sino será nossa distribuição de altura. similarmente, a temperatura de um material nos diz a localização aproximada da distribuição suave das energias cinéticas atômicas.

Por que os átomos de um material se movem com energias diferentes? É porque o movimento térmico é um movimento aleatório. Quando a aleatoriedade está envolvida, muitos resultados resultarão apesar das leis subjacentes tornarem certos resultados mais prováveis. Por exemplo, se você pegar dois dados de seis faces e lançá-los, você pode obter qualquer número entre 2 e 12. O rolo mais provável é um 7 porque há tantas maneiras diferentes de combinar os números 1 através 6 de um dado com os números 1 através 6 do outro dado e termina com o total 7. Se você rolar esses dados mil vezes, você realmente descobriria que você rola o número 7 mais frequente. Mas você ainda vai rolar todos os outros números possíveis eventualmente porque o lançamento de dados é um processo aleatório.

Quando um sistema de partículas teve a chance de se estabelecer em equilíbrio térmico, a distribuição de suas partículas’ energias espalhadas sobre o que é chamado de “distribuição térmica”. Em um sentido grosseiro, a temperatura de um sistema representa o centro de sua distribuição térmica das energias das partículas. A existência de uma ampla distribuição térmica de energias tem implicações significativas. Se pegarmos a metade das partículas do sistema com mais energia e as jogarmos fora; em essência, cortando a metade superior da distribuição térmica; então o ponto médio da distribuição será menor. Assim sendo, a temperatura do sistema diminuirá. Este processo é conhecido como “resfriamento evaporativo”. Por exemplo, o vapor de água que sai do seu chá quente contém as partículas mais quentes, para que a água que fica para trás seja mais fria em média.

Outra implicação importante é que mesmo que a temperatura de um sistema esteja abaixo de algum limiar crítico, ainda haverá algumas partículas com energia suficiente para superar o limiar. Por exemplo, em um semicondutor, os estados eletrônicos mais externos têm uma energia de base que é muito baixa para estar na banda de condução. A banda de condução é o estado em que os elétrons ficam livres e podem formar correntes elétricas. Apesar da energia base ser muito baixa, muitos elétrons externos no semicondutor de fato têm energia suficiente para saltar para a banda de condução e formar uma corrente elétrica. Quanto mais quente um semicondutor fica, quanto mais sua distribuição térmica de elétrons externos se espalha, e quanto mais elétrons houver na banda de condução para formar uma corrente.

Crédito:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/09/09/how-can-a-material-at-a-certain-temperature-have-all-of-its-molecules-at-the-same-energy/