Cuando un objeto golpea una superficie, ¿puede explicarse el sonido resultante como energía térmica?

Tu profesor está equivocado sobre el calor. El calor no es vibraciones. Eso no es en absoluto una declaración objetiva. El calor se define en termodinámica como la transferencia de energía entre dos sistemas como resultado de una diferencia de temperatura.

El sonido puede y transfiere energía, pero no lo hace como resultado de las diferencias de temperatura. La energía del sonido es simplemente energía del sonido. No es energía térmica ni calor. Las vibraciones del aire que llamamos sonido están altamente organizadas. Hay frecuencias definidas que no cambian a medida que el sonido se extiende. La energía térmica implica movimientos moleculares aleatorios, y las moléculas frecuentemente chocan entre sí y cambian las velocidades.

Cuando algo se cae al suelo y se detiene, las temperaturas del objeto y del suelo impactado aumentarán ligeramente, y eso indica un aumento en la energía térmica. Pero si el objeto se detiene, la colisión es en gran medida inelástica, y eso significa que el suelo, el objeto o ambos se han deformado ligeramente, y eso significa que parte de la energía cinética que tenía el objeto justo antes del impacto se ha convertido en energía interna. Aparte de la térmica.

La energía del sonido resultante podría no convertirse en energía térmica tampoco. El sonido que escucha actúa en su sistema auditivo para producir energía eléctrica que resulta en el proceso de audición.

Los maestros, como todos los demás, podemos estar equivocados a veces.

12.14.2016 – “Cuando un objeto golpea una superficie, ¿puede explicarse el sonido resultante como energía térmica?”

Cuando un objeto golpea una superficie, lo que sucede depende de la naturaleza de las sustancias del objeto y la superficie.

Si son altamente elásticos, la energía cinética de rebote será casi tanto como la energía cinética entrante. Piense, por ejemplo, en una bola de acero que cae sobre una placa de acero.

Si son muy plásticos, se perderá la mayor parte de la energía cinética entrante. Un trozo de lodo que cae sobre tierra fangosa o arenosa se ajusta a esto.

La raíz de su pregunta es ¿Qué le sucede a la energía cinética ‘perdida’ ?

Parte de la energía cinética perdida se convierte en energía cinética vibracional microscópica de las moléculas de la superficie y la bola. Esto se llama coloquialmente calor, pero en la ciencia de la termodinámica, “calor” se refiere a un tipo de transferencia de energía, mientras que la energía vibracional molecular es parte de lo que se llama energía interna (la otra parte de la energía interna es la energía potencial de interacción entre las moléculas) Se llama interno porque no lo vemos como movimiento en masa (o energía potencial).

Entonces, hemos identificado dos cosas en las que la energía cinética entrante se transforma en: (i) energía cinética saliente de movimiento en masa del objeto o bola y (ii) energía interna.

Pero eso no es todo. Entre la energía cinética interna y la energía cinética, algo de energía está en un rango aproximadamente medio: vibración interna que está por debajo del nivel de movimiento global del objeto en su conjunto, pero por encima del nivel del microscopio molecular. Tiene la forma de vibraciones internas de los materiales como un “continuo”: ondas de compresión y ondas de corte en los materiales que se transfieren en parte al aire como ondas de compresión. Estas ondas son ondas sonoras en el aire o en los medios de comunicación de los sólidos. Por supuesto, algunos de ellos pueden estar por debajo y otros por encima del umbral de audición.

Las ondas sonoras no son calor; No son energía interna.

Sin embargo, excepto en un medio ideal sin fricción interna (y casi todos los medios tienen cierta fricción interna), las ondas de sonido se disiparán y se transformarán en energía interna (lo que su maestro llamó “calor”).

Aunque su maestro no estuvo en lo correcto al decir que el sonido es calor / energía interna, esto podría haber sido lo que estaban pensando.

¡Parece que a tu maestro no le gustan los estudiantes que no están de acuerdo!
A los maestros les gustan las respuestas simples y ordenadas a las preguntas, que los marcadores de examen esperan.
La realidad es mucho más complicada y maravillosa.

Decir “el sonido es una especie de calor” es, ejem, inusual.

En calor, las moléculas vibran incoherentemente: independientemente al azar en todas las direcciones.
En el sonido, las moléculas vibran de manera coherente: tienden muy fuertemente a moverse todas juntas en la misma dirección que sus vecinas.

A medida que el sonido viaja por el aire, se vuelve más silencioso y puede ser absorbido cuando golpea superficies suaves. Se absorbe como calor.

Pero el sonido intermedio se crea y se absorbe: mientras viaja: no es realmente calor.

Dejé caer un vaso de vidrio en una habitación totalmente oscura y lo vi, congelado en el tiempo, como una malla de grietas, por lo que también podría emitirse algo de luz. [1]
Sin embargo, es mejor no decirle al maestro: es una experiencia inusual.

¡Si sueltas una roca del mineral correcto, puedes generar ‘piezoelectricidad’ [2]! ¡Muchos encendedores confían en esto para hacer una chispa!

Se podría considerar que el sonido es un intercambio de energías de velocidad y presión …

Notas al pie

[1] Triboluminiscencia – Wikipedia

[2] Piezoelectricidad – Wikipedia

Finalmente, toda o la mayor parte de la energía se transformará en energía térmica. Pero esa transformación no ocurre de una vez. La onda de choque de compresión probablemente se considere mejor como energía cinética (KE). El sonido fuera de la onda de choque es más vibratorio, pero no es realmente térmico en este punto, en mi opinión. Todavía lo clasificaría como KE.

Tenga en cuenta que, de todos modos, no toda la energía terminará en todos los casos como energía térmica. Por ejemplo, si el impacto arroja escombros, algunos de los cuales aterrizan a una altitud más alta, eso transformaría parte de la energía en energía potencial gravitacional (PE). Si la caída es lo suficientemente rápida (digamos desde la órbita), algunos escombros podrían terminar en órbita, una combinación de KE y PE, y ninguno de los dos terminará como energía térmica.

Las respuestas hasta ahora son bastante pedantes e inútiles para el estudiante. El profesor no está enseñando física a físicos que ya tienen una base matemática que permite definiciones matemáticas exactas de los conceptos de energía. La enseñanza es un asunto de arranque; tienes que tener una idea básica a través del uso de la base de conocimiento conocida de un estudiante, y en el caso de un niño pequeño.

La idea básica aquí es: la energía se conserva, entonces, ¿a dónde va la energía? Este es exactamente el tipo de pregunta que tenía cuando tenía 12 años, y encuentro que las respuestas dadas hasta ahora no habrían sido útiles para mi yo de 12 años.

Entonces, ¿a dónde va la energía? Entra en energía térmica, elevando las temperaturas. El estudiante es muy perceptivo para preguntar sobre la energía del sonido. Y el profesor básicamente responde que estos también finalmente van a la térmica.

Escoger lo que el maestro dijo sobre las vibraciones es contraproducente para el aprendizaje. Además, solo tenemos la descripción del alumno de lo que el maestro trató de relatar. Sé un poco más justo con los maestros.

El sonido en sí no es energía térmica porque las vibraciones se organizan como ondas. Se vuelve térmica a medida que se desorganiza.

Descubrí que cuando un mecanismo pierde parte o la totalidad de su energía, cinética, potencial o térmica, y no puede contabilizarlo en ningún lado, es seguro afirmar que se ha convertido en calor.