¿Es la fuerza del gradiente de presión una fuerza entrópica?

Un gas fluye de un área de alta presión a un área de baja presión cuando no hay otras fuerzas que lo impidan. Desde una perspectiva macrosópica, debe inferir que una fuerza subyacente está acelerando el gas hacia la baja presión.

La siguiente animación muestra un contenedor lleno de aire que al principio está dividido por una barrera en el medio. Ambos lados tienen la misma temperatura, pero el lado izquierdo tiene dos veces la densidad del lado derecho y, por lo tanto, tiene una presión más alta.

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Cuando se elimina la barrera, se mueven más moléculas de alta presión (izquierda) a baja presión (derecha) que de baja presión a alta presión. Esto crea un movimiento neto de moléculas hacia la baja presión que se mide macroscópicamente como un flujo de gas. La parte importante es que las moléculas no se mueven hacia el área de baja presión porque son aceleradas por una fuerza subyacente; se mueven estadísticamente allí debido a su movimiento térmico. Las moléculas se mueven estadísticamente donde hay menos resistencia por colisiones, que generalmente es hacia un área de menor densidad o menor temperatura.

La fuerza del gradiente de presión parece acelerar un gas a escala macroscópica, pero no existe una fuerza subyacente que acelere las moléculas. En mi opinión, la fuerza del gradiente de presión es una fuerza entrópica; no existe a escala microscópica. Es el resultado de la tendencia del sistema a lograr el equilibrio termodinámico que se basa en la tendencia de los movimientos térmicos de las moléculas a llevar el sistema hacia su estado macroscópico de máxima entropía.

¿Qué dices?

Estás en lo cierto, es una fuerza entrópica .
Eso es exactamente lo que es el primer ejemplo en el artículo de Wikipedia correspondiente. ¿Qué tipo de respuestas estás buscando aquí? "Tienes razón." es demasiado corto incluso para enviarlo como respuesta.
@ACuriousMind: Hice una búsqueda exhaustiva y no pude encontrar nada que establezca la conexión entre la fuerza de gradiente de presión y la fuerza entrópica. No se suele enfatizar que el viento es básicamente un movimiento browniano. A menudo se menciona que la difusión tiene un origen entrópico pero no el viento, aunque ambos siguen el mismo principio.

Respuestas (1)

no hay una fuerza subyacente que acelere las moléculas. En mi opinión, la fuerza del gradiente de presión es una fuerza entrópica; no existe a escala microscópica.

Hay fuerzas que actúan en la escala microscópica. Estas son las fuerzas debidas a la pared que actúan sobre las moléculas durante sus impactos en la pared. Sin estos, no habría transporte neto de gas en ninguna dirección; el centro de masa del gas permanecería inmóvil mientras que las moléculas rojas y azules penetrarían en nuevas regiones del espacio y se mezclarían. Solo porque se supone que las paredes son inamovibles y actúan sobre las moléculas con fuerzas, se produce el transporte neto de gas.

Si las moléculas no chocan entre sí o las colisiones son demasiado raras, la teoría del continuo no puede describir con precisión la mezcla con una densidad y un campo de velocidad; el gas no está bien descrito como fluido y la noción de densidad de fuerza en un gas no es muy útil entonces. Solo la fuerza de presión debida a la pared tiene sentido.

Si las colisiones de las moléculas son lo suficientemente frecuentes, el gas se comporta como un continuo en el sentido de que puede describirse con precisión mediante la descripción del fluido con una densidad y un campo de velocidad. Por ejemplo, el aire ordinario generalmente califica para este tipo de descripción.

En caso de que dos gases de diferente presión se pongan en contacto mutuo (sin pared de barrera), se puede utilizar la noción de densidad de fuerza que acelera los elementos del fluido gaseoso. No tiene nada que ver con la entropía; viene dado por la suma de las fuerzas de impacto que actúan sobre el elemento de las otras moléculas fuera de él, divididas por el volumen del elemento.

¿Diría que la animación es una representación precisa del viento en la atmósfera (como un flujo de masa de alta a baja presión)? En otras palabras, ¿aparece el viento cuando el movimiento aleatorio de las moléculas se "ordena" ligeramente?
Si se refiere a la animación anterior en su publicación de preguntas, no creo que sea una representación precisa del viento. El viento es un fenómeno macroscópico que se representa con mayor precisión mediante un modelo fluido de aire.
@JánLalinský Si la fuerza del gradiente de presión "no tiene nada que ver con la entropía", ¿los comentaristas dicen que es una fuerza entrópica incorrecta?
@electronpusher En el régimen de fluidos donde las colisiones tienen impacto en el gas, el gradiente de presión actúa como una fuerza real sobre los elementos del gas, por lo que la "fuerza entrópica" es un concepto superfluo. Todavía se podría afirmar que la presión es una fuerza entrópica porque aparece en la expresión del cambio de entropía, pero esto es más confuso que útil. Si el gas está tan enrarecido que las colisiones mutuas no son efectivas (el transporte está en el llamado régimen balístico, régimen de Knudsen), entonces tal vez hablar de "fuerza entrópica" tenga algún valor, pero incluso allí no estoy seguro.
¿Es la fuerza del gradiente de presión una fuerza entrópica?
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