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Confusión sobre las conferencias de Feynman sobre física Vol I, Capítulo 39-4

En el Vol I, Cap.39-4 (temperatura y energía cinética), Feynman demostró que, dos gases en recipientes separados por un pistón móvil (que probablemente se puede considerar adiabático) terminan en un equilibrio donde tienen la misma presión y temperatura. Feynman afirmó que la misma presión por sí sola no es suficiente para mantener el pistón quieto de manera constante, ya que las moléculas de los dos gases están golpeando el pistón a diferentes frecuencias y, por lo tanto, el pistón vibra. Aunque creo que los dos gases deberían tener la misma presión ($n_{1}\=n_{2}$) y la misma frecuencia para golpear el pistón ($n_{1}\=n_{2}$), concluyendo que $m_1T_1=m_2T_2$.

Sin embargo, Feynman afirmó que ” Ahora volvamos al problema del pistón. Podemos dar un argumento que muestra que la energía cinética de este pistón también debe ser $\frac{1}{2}m_{1}v_{1}^{2}$. En realidad, esa sería la energía cinética debido al movimiento puramente horizontal del pistón, por lo tanto, olvidando su movimiento hacia arriba y hacia abajo, tendrá que ser la misma que $\frac{1}{2}m_{1}v_{1x}^2$. Del mismo modo, desde el equilibrio en el otro lado, podemos demostrar que la energía cinética del pistón es $\frac{1}{2}m_{2}v_{2x}^{2}$. Aunque esto no está en el medio del gas, sino en un lado del gas, aún podemos hacer el argumento, aunque es un poco más difícil, de que la energía cinética promedio del pistón y de las moléculas de gas son iguales como resultado de todas las colisiones. ”

Finalmente, Feynman concluyó que la energía cinética promedio de los dos gases debería ser la misma, y por lo tanto, $T_1=T_2$. Entonces me pregunto cómo podemos demostrar el argumento de Feynman sobre la energía cinética del pistón, y si realmente podemos concluir que $T_1$ debería ser equivalente a $T_2$, incluso si el pistón es adiabático?

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hyportnex Puntos 1549

No sé si estarás contento con la certeza de que todo está bien estadísticamente con esta cita del resumen de Gruber y Piasecki: "Movimiento estacionario del pistón adiabático", Physica A 268 (1999) 412-423, pero aquí está. Los cálculos reales están en el cuerpo del artículo y no es para los débiles de corazón, y admito que no lo he revisado... Gruber escribió varios otros artículos examinando varios aspectos del problema del pistón adiabático que son más fáciles de leer.

Resumen

Consideramos un sistema unidimensional que consiste en dos fluidos ideales infinitos, con presiones iguales pero diferentes temperaturas $T_1$ y $T_2$, separados por un pistón adiabático móvil cuya masa $M$ es mucho mayor que la masa $m$ de las partículas del fluido. Esta es la versión infinita del controvertido problema del pistón adiabático. La solución estacionaria de no equilibrio de la ecuación de Boltzmann para la distribución de velocidades del pistón se expresa en potencias del parámetro pequeño $\epsilon = \sqrt{m/M}$, y se da explícitamente hasta el orden $\epsilon ^2$. En particular, implica que aunque las presiones son iguales en ambos lados del pistón, la diferencia de temperatura induce una velocidad promedio no nula del pistón en la dirección de la región de temperatura más alta. Por lo tanto, muestra que la asimetría de las fluctuaciones induce un movimiento macroscópico a pesar de la ausencia de fuerza macroscópica. Esta misma conclusión fue obtenida previamente para la situación no física donde $M = m$.

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Wayne Lo Puntos 1128

Aquí está lo que dice Feynman en la página 39-7:

Vamos a considerar ahora qué sucede si tenemos dos gases en contenedores separados por un pistón móvil como en la Fig. 39-2.

No se menciona que el pistón sea adiabático. De hecho, si el pistón fuera adiabático, no sería posible establecer un equilibrio térmico entre los dos lados.

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