Wenn zwei Moleküle kollidieren, entsteht ein Geräusch?

Eine Schallwelle ist eine synchronisierte Bewegung von Millionen und Abermillionen von Atomen oder Molekülen. Die zufälligen Kollisionen von Atomen oder Molekülen sind nicht synchronisiert und erzeugen keine Schallwelle.

Eine Schallwelle ist wie eine Stadionwelle in einem großen Sportstadion. Sie bekommen nur eine Welle, wenn sich die Leute synchron bewegen, jeder steht direkt nach seinem Nachbarn auf. Wenn die Leute einfach aufstehen und sich wahllos hinsetzen, dann gibt es keine Welle.

Eine 20-kHz-Schallwelle hat bei einer angenommenen Schallgeschwindigkeit von 343 m/s eine Wellenlänge von 17 mm ($f\lambda = v$), viel größer als die mittlere freie Weglänge von Molekülen in Luft (ungefähr 68 nm ), die Wellenlänge, die Sie einer solchen Kollision zuschreiben könnten. Das bedeutet, dass die Frequenz einer solchen Kollision höher wäre als die obere Grenze des menschlichen Gehörs. Eine solche Kollision würde Energie freisetzen <$3k_{B}T \sim 10^{-20}$J.

In der Praxis sind Schallwellen eine Lösung hydrodynamischer Gleichungen, die eine Flüssigkeitsnäherung annehmen, bei der wir die Luft bereits nicht als einzelne Moleküle, sondern als Flüssigkeit behandeln dürfen.

Aber selbst in einer Situation, in der Sie zulassen, dass Schall für einzelne Moleküle definiert wird, wäre die Frequenz (auf jede erfundene Weise, auf die Sie gezwungen wären, sie zu definieren) zu hoch, um sie zu erkennen, und die Energie wäre zu niedrig, um sie zu erkennen, z ein menschliches Ohr. In einer Situation, in der Sie eine einzelne Kollision mit hoher Energie injizieren, würden zufällige Kollisionen schnell die Energie verbrauchen. Denken Sie darüber nach, wie langsam Wärme durch die Luft diffundiert und wie sich die Energie über das gesamte Volumen der Atome verteilt hat, bis sie Ihr Ohr erreicht.

In der Tat hören wir keine Wärme, besonders weil sie sich als eine große Anzahl von Stößen auf unser Trommelfell manifestiert, die (in flüssiger Annäherung) einen konstanten Druck erzeugen.

Nein , nicht in der gleichen Weise wie bei Kollisionen größerer Objekte.

Der Grund dafür ist sehr einfach: Auf der Ebene einzelner Moleküle befinden wir uns praktisch "im Weltraum" , als ob ein Raumschiff durchfliegt. Wenn Sie wollen, ist dies der innere Raum in Analogie zum äußeren Raum .

Schall benötigt ein Medium, um sich zu bewegen. Luft bietet dieses Medium für große Objekte. Aber Luft besteht aus Molekülen. Auf Meereshöhe der Erde sind diese Moleküle im Durchschnitt etwa 68 nm voneinander entfernt, aber nur vielleicht 0,3 nm groß. Zwischen den Molekülen ist Vakuum. Somit findet die Kollision zweier Luftmoleküle effektiv im Vakuum statt, und daher werden keine Geräusche erzeugt, aus genau dem gleichen Grund, aus dem, wenn zwei Asteroiden im Weltraum aufeinander schlagen, kein Geräusch erzeugt wird.

Allerdings gibt es hier einen Vorbehalt: "Moleküle" haben technisch gesehen keine strenge Obergrenze für ihre Größe. Theoretisch könnte ein Diamant von sichtbarer makroskopischer Größe vollständig aus einem einzigen Molekül bestehen (obwohl realistische Diamanten wahrscheinlich mehrere haben werden). Wenn man zwei solche Einzelmolekül-Diamanten aneinander stoßen würde, würde man natürlich ein Geräusch hören.