לחץ וטמפרטורה

נכתב ע"י alexL בד', 01/09/2019 - 08:56

בתיאור מצב חומר נוח מאוד להשתמש בעוד שתי תכונות, לחץ וטמפרטורה. תכונות אלה אינן ראשוניות אלא נגזרות מהתנועה והסדר.

לחץ נובע מתנועת חלקיקים. כאשר חלקיקי חומר נעים, הם מפעילים כוח מסוים על משטח, מחיצה או גבולות המערכת.

כוח תנועת החלקיקים המופעל על יחידת שטח, נקרא לחץ.

ניתן לרשום את זה באמצעות נוסחה פשוטה:

p=F/A,

כאשר p הוא הלחץ, F הוא הכוח ו-A הוא שטח פעולת הכוח. ברור שהכוח תלוי בכמות החלקיקים ובאנרגיה שלהם.

 

טמפרטורה היא המידה של התנועה האקראית של חלקיקי מערכת.

ככל שיותר גבוהה מהירות התנועה (אנרגיה קינטית) של החלקיקים וככל שתנועתם יותר אקראית, כך תהיה הטמפרטורה במערכת יותר גבוהה. בשפה של נוסחאות,

T=dE/dS,

כאשר T היא טמפרטורה, E היא אנרגיה קינטית ו-S היא אנטרופיה.

בדרך כלל, אנחנו מניחים שרק למערכת מספיק גדולה (המונה מספר ייצוגי של חלקיקים מבחינת עיבוד סטטיסטי) יכולה להיות טמפרטורה כמידת אנרגיית קינטית ממוצעת. זה לא בדיוק נכון. בעיקרון, טמפרטורה יכולה להיות אפילו לחלקיק בודד בתנאי שתנועתו אקראית לחלוטין. אומנם חלקיק נע בתנועה כזאת הוא תופעה נדירה מאוד ולכן נחשבת טמפרטורה כתכונה מאקרוסקופית שיש לה משמעות רק למערכות גדולות.

אם הטמפרטורה היא מידת תנועה, נשאלת שאלה מעניינת: האם ייתכן מצב חומר שבו אין תנועה בכלל? התשובה היא "לא" וזה משום שחלקיקים קוונטיים (קודם כול, אלקטרורנים וגרעינים אטומיים) לא קיימים במנוחה. לקיומם עצמו אופי הסתברותי הלא ניתן לתיאור במונחים קלסיים. במילים אחרות ( אומנם לא יותר מובנות - אני יודע), לא ניתן לתאר קיום חלקיקים קוואנטיים כמו מנוחה ולא כמו תנועה קווית, מעגלית או תנועה אחרת השייכת לעולם הקלסי "הגדול". לפעמים לתנועה קוואנטית קוראים "תנודתית", אבל גם תיאור כזה אינו מדויק ואף מטעה במידה מסוימת.

יחד עם זאת, ניתן לתאר מצב שבו אנחנו נתעלם ממבנה עדין של אטומים (למשל, אפשר לחשוב על מיקרוסקופ דמיוני שהגדלתו מספיק טובה בשביל לראות אטומים כנקודות קטנות, אך לא מספיק טובה בשביל לראות את המבנה של אטומים). במצב כזה תהיה הטמפרטורה קשורה רק לתנועות קוויות אקראיות של חלקיקי החומר. ואם נעצור תנועות כאלה, נקבל את הטמפרטורה הנמוכה ביותר. טמפרטורה זאת נקראת אפס מוחלט הנמצא ב-273.15 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. נחזור ונדגיש כי בטמפרטורה של אפס מוחלט תנועת חלקיקים קוואנטית עדיין קיימת, אבל תנועה קלסית עצורה. נוסיף שברמת העיקרון לא ניתן לקבל טמפרטורה של אפס מוחלט, אבל אפשר להתקרב אליה בצורה אסימפטוטית. נכון ליום כתיבת הטקסט הזה הצליחו לקבל טמפרטורה העולה על אפס מוחלט ב-0.0000000005 מעלות בלבד.

בפיזיקה מקובלת סקאלה מוחלטת של טמפרטורה. לפי סקאלה זאת, נמדדת הטמפרטורה ביחידות קלווין (K), כאשר ערכו של קלווין שווה למעלת צלסיוס. האפס המוחלט הוא 0K וכל טמפרטורה אחרת היא חיובית. אפשר להמיר טמפרטורה בצלזיוס (TC) לטמפרטורה מוחלטת (TK) באמצעות נוסחה פשוטה:

TK=TC + 273.15

המרה כזאת לא רק נותנת בסיס הגיוני למדידת טמפרטורה אלא גם מפשטת בצורה נכרת מאוד משוואות רבות.