Si no hay partículas alrededor para sentir una explosión de radiación de calor, ¿está incluso caliente?

La pregunta, tal como está formulada, puede sonar un poco ingenua para muchos (¡lo siento, no quiero decir que falte al respeto al interrogador!) Pero encapsula un rompecabezas profundo en física y, por lo tanto, es extremadamente interesante.

La segunda ley de la termodinámica, a menudo considerada como una de las más fundamentales en el funcionamiento de este universo, establece que la energía fluye en una determinada dirección. En el caso de la energía térmica, se irradia de fuentes calientes a ambientes fríos. La energía térmica nunca puede fluir de frío a calor (sin aumentar la entropía en el proceso).

Pero vamos a los extremos para ver qué puede significar o implicar esto. Muchos de ustedes pueden haber leído o escuchado sobre “el escenario de la muerte por calor” del universo. Si el universo sigue expandiéndose más y más, como parece que lo hará, llegará un momento en que cualquier fuente radiante (más cálida) se volverá cada vez más distante entre sí. De hecho, cualquier estructura como las estrellas, todas las cuales ya morirán y, por lo tanto, estarán muy frías, los planetas, etc. se diluirán tanto, se alejarán entre sí, que la transmisión efectiva de energía entre ellas puede implicar distancias cosmológicamente enormes.

La pregunta es entonces, digamos que tenemos un cuerpo que todavía tiene una temperatura de 10 K, y todo su entorno a su alrededor durante 100 años luz en todas las direcciones está completamente vacío, apenas a 0 K, pero más allá de esos 100 años luz hay todavía alguna estructura o cuerpo con una temperatura de 3 K. En principio, la física convencional nos dice que, independientemente de la gran distancia entre los objetos, el que tiene una temperatura de 10 K irradiará fotones térmicos hacia el cuerpo más frío con una temperatura de 3 K que se encuentra a 100 años luz de distancia. El calor fluye de cálido a frío hasta que todas las temperaturas se igualan, ¿verdad?

Pero el enigma es, ¿cómo sabe un cuerpo “aquí y ahora con una temperatura de 10 K” que a 100 años luz de distancia se encuentra otro cuerpo con una temperatura más baja, de solo 3 K, y que aún puede irradiar fotones térmicos? Porque si ese cuerpo de temperatura más baja no existiera, nuestro cuerpo de 10 K no podría irradiar esos fotones. De alguna manera, el cuerpo aquí y ahora “debe ser capaz de saber” que lejos, muy lejos, hay algo más frío para que pueda irradiar esos fotones.

Pero según la relatividad general, no hay forma de que un cuerpo “aquí y ahora” pueda conocer las propiedades de un cuerpo a 100 años luz de distancia, excepto al esperar 100 años. Según GR, parece que nuestro cuerpo radiante solo podría saber que puede emitir un fotón al esperar 100 años y recibir información sobre la temperatura de ese cuerpo distante.

Y, sin embargo, no inferimos tales demoras, parece que los cuerpos calientes simplemente “saben” que pueden irradiar fotones térmicos, sin necesariamente tener que saber que en algún lugar, arbitrariamente lejos, habrá un receptor más frío para absorber esos fotones. .

Quizás valga la pena mencionar que dentro de la Mecánica Cuántica hay una Interpretación que maneja con éxito este acertijo, la Interpretación Transaccional de John Cramer, en la cual ocurre un evento de emisión solo si hay una “confirmación de recibo del futuro”. Con esto no pretendo apoyar especialmente esta Interpretación, solo pensé que valía la pena mencionarla.

Bien, entonces el problema aquí es divorciar el “calor” del “movimiento molecular”. El calor es la transferencia de energía térmica, que puede ocurrir por contacto (conducción y convección), pero también por radiación … luz, básicamente. Para cualquier color (y uso el término libremente, para incluir muchas cosas que no podemos ver), pasará algo de luz, parte rebotará y parte será absorbida. La parte absorbida se traduce en calor si no es lo suficientemente energética como para simplemente destruir moléculas.

Las lámparas de calor aprovechan el hecho de que la luz infrarroja es bastante bien absorbida por la mayoría de las cosas, pero tiene muy poca energía para realmente romper las moléculas. Las microondas hacen lo mismo, pero necesitan estar más concentradas, por lo que las guardamos dentro de las cajas.

Aquí es donde se pone divertido. Dado que el calor es la transferencia de energía térmica, y la luz puede agregar energía térmica cuando golpea algo, por lo tanto, es lógico que tenga una energía que podría clasificarse con una temperatura. Si bien las ecuaciones pueden complicarse dependiendo de cómo se hace la luz, casi todos los colores de la luz tienen una temperatura asociada. Es posible que haya visto bombillas clasificadas por temperatura … una bombilla de 4000 K (Kelvin, una unidad de temperatura) NO arde a 4000 K, eso podría quemar su casa. Más bien, produce el mismo tipo de colores que algo que es 4000K, más o menos.

A medida que la luz se propaga desde una fuente, hay menos cantidad en un volumen dado, por lo que la temperatura baja. La superficie del Sol es de aproximadamente 5800K, pero la temperatura de la luz solar aquí fuera de la Tierra está solo un poco por encima del punto de ebullición del agua. Puede hervir agua en un horno solar forzando al agua a entrar en equilibrio térmico con la luz solar. Un auto se calienta tanto en un día soleado porque está tratando de calentarse tanto como la luz del sol, y el aire más frío a su alrededor solo puede hacer mucho en contra de eso.

Entonces, la luz tiene una temperatura medible, incluso si no está golpeando nada.

Dado que el calor se define dentro de la termodinámica como la transferencia de energía entre dos sistemas como resultado de una diferencia de temperatura, en ausencia de un segundo sistema hay radiación pero no calor.

Al pensar en esto, es difícil evitar imaginar algo que pueda detectar la radiación, pero su pregunta lo descarta.

Por supuesto, esta es una situación imposible. Una parte de la radiación eventualmente alcanzará conjuntos de partículas y las calentará.

Tenga en cuenta que la radiación en sí está hecha de partículas, pero si son fotones, no interactúan y no pueden transferir energía a nada.

Esa es una perspectiva psicológica de un fenómeno físico. El calor no es caliente, a menos que alguien perciba el calor (como caliente).

La radiación de calor es radiación de calor. La sensación de calor requiere una persona (o un sustituto de persona).

Historia sobre un sustituto de persona: mis vecinos habían adquirido un gatito para reemplazar a su gato anciano. Pero el gatito estaba jugando con el gato viejo (léase “torturar”). Entonces nos ofrecieron el gatito, y lo tomamos. Como solía suplementar la comida de mi perro con comida para algunas personas, hice lo mismo con el gatito. Puse un poco de carne en su tazón, pero todavía estaba caliente, así que bloqueé el acceso del gatito y dije: “¡Caliente!” El gatito intentó morderme y obtener acceso. Finalmente, sentí que él aprendería lo que significa caliente, y lo dejé ir. El gatito le dio un mordisco, saltó en el aire dando la vuelta y luego se acercó a la comida caliente nuevamente. Fue entonces cuando me di cuenta de que el gatito no era demasiado inteligente. Dio un salto hacia atrás por segunda y tercera vez, pero por cuarta vez, la comida se había enfriado (quiero decir, el gatito había derrotado a la comida malvada) y el gatito comió. Era el gato más estúpido que he tenido, pero me caía bien.

La pregunta es contradictoria.

El calor, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , es la transferencia de energía de un sistema a otro.

¿Sugieres que el calor se disipe a través del vacío? Eso sería imposible ya que en un vacío puro no habría medio para transferir la energía.

La temperatura es la resultante.

El calor se puede transferir a través de conducción, convención, radiación, emisión, etc.

Si no hay nadie que lo sienta, ¿cómo podrías decir que estaría caliente en primer lugar?

Espero que esto ayude.

Si quiere decir un vacío perfecto con su afirmación “sin partículas”, entonces no hay nada con lo que interactúe la “explosión de radiación de calor”. (Se refleja, absorbe, refracta, etc.) La radiación de calor está típicamente en el extremo inferior del espectro electromagnético: radiación roja, infrarroja y de microondas.

En un vacío perfecto, sin nada con lo que interactuar, una mejor respuesta sería que no hay calor. No hay nada caliente ni frío. No hay nada, punto.

Dos enfoques para esto y debido a que el estado de “sin partículas” no existe realmente, tenemos una pregunta hipotética y podemos considerar diferentes enfoques.

Una es considerar la temperatura como la energía cinética media de las partículas, no hay ninguna, por lo que la temperatura no está definida.

El otro enfoque que se usa ampliamente en otras partes de la física es introducir un “objeto” de prueba pequeña. (por ejemplo, carga de prueba, masa de prueba, etc.)

En este caso, consideraríamos un pequeño cuerpo negro: ver qué temperatura tenía en equilibrio y declarar esto la temperatura de la ubicación. Hipotéticamente esto es incorrecto, pero tan pronto como hiciste algún experimento para demostrar que era incorrecto, resultaría ser correcto.

esto es solo un acertijo reformulado de

“Si un árbol cae en el bosque y nadie lo escucha, ¿hace ruido?

la respuesta es, por supuesto, sí, hace un sonido, pero eso no tuvo un efecto particular en nada más que en sí mismo (el árbol)

La “radiación de calor” es en realidad electromagnética, es decir, fotones. Partículas Entonces su pregunta es contradictoria.