Entropía y microestados – contar Ω, S = k ln Ω y el sentido de los procesos
FísicaFísica térmica y gasesEdades 17–18
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Dos sólidos de Einstein A y B intercambian cuantos de energía al azar: la simulación cuenta los microestados Ω de cada macroestado, representa la probabilidad y la entropía S = k ln Ω y muestra que el calor pasa del cuerpo caliente al frío porque el estado compartido tiene muchísimos más microestados. La pantalla Gas en una caja retira un tabique para que un gas se expanda o dos gases se mezclen; el proceso inverso se vuelve improbable cuando crece el número de partículas.
Lección: La entropía y el significado estadístico del segundo principio de la termodinámica: microestados, macroestados y S = k ln Ω
Qué muestra
La entropía cuenta posibilidades. Un macroestado, como el número de cuantos de energía que hay en el sólido A, puede lograrse de Ω maneras distintas, los microestados, y S = k ln Ω. Cuando dos sólidos intercambian cuantos al azar, todos los microestados son igual de probables, así que el sistema va al macroestado con más microestados: temperaturas iguales. En un gas, las distribuciones repartidas superan de lejos a las agrupadas. Con pocas partículas a veces ocurre lo contrario; con 10²³, nunca. Ese es el segundo principio.
Cómo usarla
En Dos sólidos, fija Osciladores en A, Osciladores en B y Cuantos de energía en total, elige Inicio, pulsa Iniciar y mira cómo q en A llega al valor más probable; usa Paso para intercambios sueltos y lee la tabla de macroestados. En Gas en una caja, elige El gas se expande o Dos gases se mezclan, fija Partículas N y pulsa Iniciar.
Parámetros que puedes cambiar
- Pantalla Dos sólidos que intercambian energía, Gas en una caja
- Osciladores en A 1–200
- Osciladores en B 1–200
- Cuantos de energía en total 1–200
- Estado inicial Todo en A, Todo en B, Mitad en cada uno
- Pasos de intercambio por segundo 1–5000
- Proceso El gas se expande, Dos gases se mezclan
- Partículas N (de cada color al mezclar) 2–200
Preguntas para explorar
- ¿Por qué la energía pasa del sólido caliente al frío si cada intercambio es aleatorio?
- ¿Cómo cambia la probabilidad de que todo el gas vuelva a la mitad izquierda cuando N pasa de 4 a 100?
- ¿Por qué la entropía usa el logaritmo de Ω y no Ω directamente?
