Gas ideal formado por una sola partícula
La pared fija está situada en x=0 y la pared móvil está situada inicialmente en la posición x0 en el instante t=0. La pared móvil se mueve con velocidad constante u hacia la pared fija.
La posición de la pared móvil en el instante t es x=x0-u·t. El movimiento de la partícula, cuya velocidad constante es v0, encerrada entre ambas paredes se muestra en la figura y se describe a continuación
Primer choque:
La partícula parte en el instante t=0, de la posición x0, se mueve hacia la pared fija con velocidad constante v0. Choca con la pared fija cambiando el sentido de su velocidad y se dirige al encuentro de la pared móvil, que se produce en el instante t1.
La posición de la pared móvil en dicho instante es x1=x0-u·t1
Segundo choque:
Después del choque, velocidad de la partícula es v1=v0+2u y se dirige hacia la pared fija. Choca con la pared fija, cambiando el sentido de su velocidad y se dirige al encuentro de la pared móvil, que se produce en el instante t2.
La posición de la pared móvil en dicho instante es x2=x0-u·t2
Tercer choque:
Después del choque, la velocidad de la partícula es v2=v1+2u=v0+2(2u) y se dirige hacia la pared fija. Choca con la pared fija, cambiando el sentido de su velocidad y se dirige al encuentro de la pared móvil, que se produce en el instante t3.
La posición de la pared móvil en dicho instante es x3=x0-u·t3
Choque n+1:
Después del choque n la velocidad de la partícula es vn=vn-1+2u=v0+n(2u) y se dirige hacia la pared fija. Choca con la pared fija, cambiando el sentido de su velocidad y se dirige al encuentro de la pared móvil, que se produce en el instante tn+1.
La posición de la pared móvil en dicho instante es xn+1=x0-u·tn+1
La velocidad de la partícula va creciendo, con el número n de choques, alcanzando el valor
vn =v0+2nu
El desplazamiento de la pared móvil entre dos choques sucesivos que se producen en los instantes tn y tn+1 es
De la formulación discreta a la continua.
El parámetro macroscópico observable es la posición x de la pared móvil o el volumen del recipiente que contiene la partícula. Expresaremos la fuerza que ejerce la pared sobre la partícula, el trabajo y la energía cinética de la partícula en función de x.
Como x es una función de n podemos escribir de forma aproximada
Separando variables e integrando
Despejando x
El desplazamiento Δx de la pared móvil durante el intervalo de tiempo entre dos choques consecutivos es
La posición x de la pared móvil es función del número de choques n. La velocidad de la partícula v es también función del número de choques n, v=v0+2nu. Expresamos la velocidad v de la partícula en función de la posición x de la pared móvil
Expresamos, igualmente el desplazamiento Δx en función de x
A partir de la expresión de x en función del número n de choques, despejamos n y derivamos respecto del tiempo.
Teniendo en cuenta que dx/dt=-u, la frecuencia f de los choques (número de choques en la unidad de tiempo) es
El incremento de la frecuencia entre los choques se debe a dos causas:
- El incremento de la velocidad de la partícula después de cada choque en 2u
- La disminución del camino que ha de recorrer la partícula
Trabajo de la fuerza F que ejerce la pared móvil
- Antes del choque la velocidad de la partícula es –v
- Después del choque la velocidad de la partícula es v+2u
El cambio de momento lineal en cada choque es m(v+2u)-m(-v)=2m(u+v)
La fuerza F que ejerce la pared móvil se emplea en cambiar el momento lineal p de la partícula F=dp/dt. La fuerza F es el producto de la frecuencia de los choques por el cambio de momento lineal en cada choque.
El trabajo de la fuerza F cuando la pared móvil se desplaza Δx es
La variación de energía cinética en un choque es
El trabajo de de la fuerza F se invierte en incrementar la energía cinética de la partícula.
-F·Δx=ΔEk
Relación entre las magnitudes microscópicas y los parámetros macroscópicos.
La energía cinética está relacionada con la temperatura, la fuerza con la presión y la posición de la pared móvil con el volumen del recipiente. Sustituimos:
-
La presión p por la fuerza F
-
El desplazamiento Δx por la variación de volumen dV
-
El incremento de la energía cinética ΔEk por la variación de la temperatura dT del sistema de partículas
-p·dV=k·dT
La ecuación de estado de los gases ideales relaciona, presión p, el volumen V y temperatura absoluta T.
Integrando miembro a miembro, obtenemos la ecuación de una transformación adiabática.
donde γ al igual que k son constantes.
Actividades
Se introduce
- La velocidad u de la pared móvil, en el control titulado Velocidad pared móvil
- La velocidad inicial v0=1 de la partícula, se ha fijado en el programa interactivo
- La posición inicial x0=1 de la pared móvil también se ha fijado
Se pulsa en el botón titulado Nuevo
Se observa el movimiento de la partícula. En la parte superior izquierda, se proporciona el dato de la velocidad v de la partícula en cada instante t.
En la parte superior, se representan en dos gráficas la velocidad v de la partícula en función de la posición x del émbolo móvil.
- En color rojo, el movimiento real.
- En color azul, la aproximación continua dada por la fórmula
Referencias
Vermillon, R. Compresing a classical particle in a 1-D box. Am. J. Phys. 40, September 1978, pp. 1340-1342