Η έννοια της θερμοκρασίας ισχύει για ένα μόνο μόριο;

Η έννοια της θερμοκρασίας, όπως την κατανοούμε παραδοσιακά, δεν ισχύει άμεσα για ένα μόνο μόριο. Εδώ είναι γιατί:

* Η θερμοκρασία είναι μια μακροσκοπική ιδιότητα: Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των σωματιδίων μέσα σε ένα σύστημα. Αυτό σημαίνει ότι περιγράφει τη συλλογική κίνηση πολλών σωματιδίων, όχι μόνο ενός.

* Μόλαια μόρια έχουν κινητική ενέργεια: Ενώ ένα μόνο μόριο μπορεί να έχει κινητική ενέργεια, δεν έχει θερμοκρασία με τον ίδιο τρόπο που κάνει ένα μακροσκοπικό σύστημα.

* διακυμάνσεις στην κινητική ενέργεια: Η κινητική ενέργεια ενός μορίου κυμαίνεται συνεχώς λόγω συγκρούσεων και αλληλεπιδράσεων με το περιβάλλον του. Αυτές οι διακυμάνσεις είναι πολύ γρήγορες και τυχαίες για να ορίσουν μια σταθερή "θερμοκρασία" για το ίδιο το μόριο.

αναλογία: Φανταστείτε ότι έχετε ένα μόνο νόμισμα. Μπορείτε να το αναστρέψετε και θα προσγειωθεί κεφάλια ή ουρές. Μπορείτε να αντιστοιχίσετε μια "πιθανότητα" σε αυτό το μοναδικό flip; Όχι πραγματικά. Η πιθανότητα είναι ένα μέτρο της πιθανότητας ενός γεγονότος που συμβαίνει σε πολλές δοκιμές (flips). Ομοίως, η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης ενέργειας πολλών μορίων, ούτε μία.

Ωστόσο, μπορούμε να μιλήσουμε για τη "θερμοκρασία" ενός μόνο μορίου σε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο:

* Στατιστική μηχανική: Στον τομέα της στατιστικής μηχανικής, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την κατανομή Boltzmann για να υπολογίσουμε την πιθανότητα ενός μόνο μορίου να έχει μια συγκεκριμένη ενέργεια. Αυτή η κατανομή πιθανότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό μιας "θερμοκρασίας" για το μόριο, αλλά περιγράφεται με μεγαλύτερη ακρίβεια ως "ενεργειακή κατάσταση" και όχι ως θερμοκρασία της.

Συμπερασματικά: Ενώ ένα μόνο μόριο έχει κινητική ενέργεια, δεν μπορούμε να αντιστοιχίσουμε μια θερμοκρασία σε αυτό με την παραδοσιακή έννοια. Η θερμοκρασία είναι μια μακροσκοπική ιδιότητα που περιγράφει τη μέση ενέργεια πολλών σωματιδίων. Ωστόσο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε στατιστική μηχανική για να περιγράψουμε την πιθανότητα ενός μόνο μορίου που έχει μια συγκεκριμένη ενέργεια, η οποία μπορεί να σχετίζεται με μια "θερμοκρασία" σε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο.