¿Cómo rebotan constantemente las moléculas de gas sin perder energía?

De una pregunta relacionada (¿ Cómo empuja constantemente el gas presurizado? ), Me pregunté esto: ¿Cómo las moléculas de gas rebotan constantemente entre sí sin perder energía?

Si dejas caer una pelota, rebota un montón de veces, pero la altura de cada rebote es cada vez más corta. Porque pierde energía en cada rebote.

Así que no veo cómo un gas presurizado no pierde energía. Según tengo entendido, la presión es una manifestación de muchas moléculas que rebotan entre sí. Entonces, con el tiempo, ¿no debería caer la presión a medida que las moléculas pierden velocidad? y eventualmente todas las moléculas se asentarán en una pila en el suelo.

Creo que otra forma de expresar esto es, ¿ cómo las colisiones elásticas no pierden energía en el intercambio? Mi comprensión de la segunda ley de la termodinámica es que algo de energía siempre se "pierde" cuando se convierte de una forma a otra, o se transfiere de un objeto a otro. Es decir, ninguna transferencia/conversión de energía es nunca 100% eficiente.

Estrictamente hablando, no hay colisiones perfectamente elásticas entre átomos y moléculas. Una parte de la energía/impulso se convertirá en fotones. Entonces, en realidad, un gas real en un volumen perfectamente aislado es siempre dos gases: un gas hecho de partículas masivas y un gas hecho de fotones. Los dos componentes estarán en equilibrio termodinámico entre sí. Sin embargo, la densidad de energía en el gas fotónico suele ser tan pequeña que no importa a los efectos de la termodinámica en la escala de "temperatura ambiente".
Entonces puse los números en la fórmula para la densidad de energía del gas fotónico tu = π 2 k 4 15 C 3 ℏ 3 T 4 , y si no me equivoco, a 300K la densidad de energía es de aprox. 10 − dieciséis j / metro 3 . Esto significa que alrededor 10000 ∗ 300 k la densidad de energía del gas fotónico aumenta a 1 j / metro 3 y a los 30 millones de K ya esta 10 , 000 j / metro 3 . Dadas las densidades de energía en los reactores de fusión confinados magnéticamente, estas son cantidades enormes (¡dado el hecho de que este gas fotónico también se escapa a la velocidad de la luz!) y la física del reactor de fusión tiene que controlar la pérdida de energía a través de los fotones con mucho cuidado.

Respuestas (3)

Como han indicado los comentarios a la pregunta, en los gases reales (en contraste con los gases ideales que simplemente rebotan elásticamente) existen dispersiones tanto elásticas como inelásticas controladas por interacciones mecánicas cuánticas.

Se generan fotones que conducen a lo que llamamos radiación de cuerpo negro y un volumen de gas aislado perderá energía de acuerdo con la ley de Stephan Boltzmann .

La ley de Stefan-Boltzmann establece que la energía total radiada por unidad de superficie de un cuerpo negro en todas las longitudes de onda por unidad de tiempo (también conocida como salida radiante o poder emisivo del cuerpo negro), es directamente proporcional a la cuarta potencia del cuerpo negro. temperatura termodinámica del cuerpo T:

stephanboltzmann

Por lo tanto, el gas pierde energía si la temperatura de la materia que lo rodea es más baja.

En respuesta a

Creo que otra forma de expresar esto es, ¿cómo las colisiones elásticas no pierden energía en el intercambio?

Elástico significa una interacción de dos partículas donde antes y después, se conserva la energía cinética. Si se supone que solo existen energías cinéticas para esta dispersión (como en el gas ideal), entonces la energía se conserva porque lo que una partícula pierde, la otra lo gana. Si hay otras formas de energía que pueden contribuir a la interacción de dos partículas, entonces es la energía total la que se conserva. Con las bolas de billar clásicamente hay que tener en cuenta la fricción con el balance de energía, lo mismo con la bola que rebota, y las energías cinéticas dejan de ser la energía total del sistema. Para partículas en un gas es el marco mecánico cuántico, descrito anteriormente.

La respuesta más sencilla posible es que en un sistema cerrado el estado de menor entropía es aquel en el que la temperatura es (estadísticamente) uniforme.

Cuando una pelota rebota cada vez más bajo, pierde energía cinética. Este es el resultado de la fricción interna: la energía cinética se convierte en calentamiento interno.

Cuando dos átomos rebotan inelásticamente, ¿a dónde va la energía? Puedo pensar en dos mecanismos.

La primera es la calefacción . En ese caso, uno de los átomos debe obtener la energía, porque así es como se almacena el "calor" en una sustancia...

El otro mecanismo sería la radiación electromagnética . Algo de eso ocurre: es radiación de cuerpo negro como se explica en la respuesta de Anna V. Esta radiación interactúa con las paredes del recipiente: si las paredes están a la misma temperatura que el gas, volverá la misma cantidad de radiación que la emitida y los dos permanecerán en equilibrio térmico (en otras palabras, otro fotón en otro lugar). llevará la energía de regreso al gas). Si las paredes no están a la misma temperatura, la temperatura del gas cambiará con el tiempo debido a la interacción entre las paredes y el gas; ambos tenderán al equilibrio.

En conclusión, no hay lugar para que la energía se "pierda". Y entonces no es...

¿Cómo rebotan constantemente las moléculas de gas sin perder energía?
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