Mecánica estadística

Universidad del Atlántico Programa de Física Facultad de Ciencias Básicas

Física Térmica
Código: 21313 créditos: 3

Profesor: Ever Ortiz Muñoz

Contenido
• Gases • Termodinámica • Mecánica Estadística • Fenómenos de Transporte, Fluidos

JUSIAH W. GIBB

 Junto con Boltzmann y Maxwell, fundador de la mecánica estadística.  Su formulación de la mecánica estadística se publicó en1902.  Estableció una regla para el análisis del equilibrio de las sustancias heterogéneas: "regla de las fases".  Fue uno de los primeros en usar la segunda ley de la termodinámica para discutir la relación entre las energías química, eléctrica y térmica y el trabajo externo.  Desarrolló la forma actual del análisis vectorial

1839 –1903

MECÁNICA ESTADÍSTICA
1. 2. 3. 4. 5. 6. IntroducciónEquilibrio estadístico Ley de distribución de Maxwell-Boltzmann Definición estadística de temperatura Distribución de energías y velocidades moleculares en un gas ideal Verificación experimental de la ley de distribución de Maxwell-Boltzmann Equilibrio térmico Entropía Ley del aumento de entropía

7. 8. 9.

1. INTRODUCCIÓN
La termodinámica proporciona una metodología general para describirlos intercambios de energía entre un sistema de partículas y sus alrededores sin considerar explícitamente las propiedades de las partículas que componen el sistema. La termodinámica introduce varias magnitudes físicas de naturaleza macroscópica (como calor, entropía, capacidad calorífica, etc.) que se meden en el laboratorio sin relacionarlas directamente con la estructura interna del sistema.Sistema ¿Propiedades microscópicas ?

alrededores

Sin embargo, las propiedades macroscópicas de un sistema dependen críticamente de las propiedades microscópicas de sus constituyentes
Electrones libre en un metal átomos en sistemas solido, líquido y gaseoso

mismos átomos en sistemas sólidos diferentes

se comportan de maneras completamente distintas !

Pero, como en un mol decualquier sustancia hay del orden de 6 x 1023 moléculas sería imposible, considerar el movimiento detallado de cada una de las moléculas para determinar las propiedades macroscópicas de una sustancia.
COMPORTAMIENTO MACROSCÓPICO de sistemas físicos Calor, temperatura, presión, entropía, Capacidad calorífica… …

Mecánica estadística
sin considerar el comportamiento detallado de cada partículaCOMPORTAMIENTO MICROSCÓPICOS de los constituyentes del sistema

La mecánica estadística es una metodología para obtener las propiedades colectivas o macroscópicas de un sistema de partículas, como la presión o la temperatura, sin considerar el movimiento detallado de cada partícula, sino su comportamiento promedio. Aquí “partícula“ se refiere a cada una de las unidades bien definidas y estables quecomponen un sistema físico. Por ejemplo: electrón, átomo, molécula. La mecánica estadística (término acuñado en 1884 por J. W. Gibbs), relaciona el comportamiento macroscópico de un sistema con su estructura microscópica. La mecánica estadística se desarrolló a fines del siglo XIX y a principios del XX, y fue esencialmente el resultado del trabajo de Ludwig Boltzmann (1844-1906), James C. Maxwell(18311879) y J. Willard Gibbs (1839-1903).

2. EQUILIBRIO ESTADÍSTICO
Sea un sistema aislado compuesto por un gran número N de partículas (N = cte., energía= cte.)

Supongamos que cada partícula puede encontrarse en uno de varios estados de energía E1, E2, E3, … Los estados de energía pueden estar: cuantizados (Ej: energía de la rotación y la vibración de una molécula)

o´

pueden formar unespectro prácticamente continuo (Ej.: energía cinética de traslación de las moléculas de un gas)

E n3 n2 n1

E

En un instante dado, las partículas están distribuidas de cierta manera entre los diferentes estados: hay n1 partículas que tienen energía E1, n2 partículas que tienen energía E2, etc…

…
E3 E2 E1

El número total de partículas es: La energía total del sistema es

N ...