La temperatura según la TCM
En el simulador puedes elegir un solo gas (1 ó 2) o una mezcla de ambos en distintas proporciones y observar la influencia de la temperatura en la velocidad de las partículas.
Vamos a partir de la ecuación que hemos obtenido para la presión:
$$P = \frac{2}{3}\Bigl(\frac{N}{V}\Bigr)\Bigl(\frac{1}{2} m\bar{v^2}\Bigr)$$Es posible comprender mejor el significado de la temperatura si escribimos la ecuación anterior como:
$$P V = \frac{2}{3} N \Bigl(\frac{1}{2} m\bar{v^2}\Bigr)$$Comparándola con la ecuación de estado de un gas ideal:
$$PV = Nk_B T$$De aquí encontramos que
$$T = \frac{2}{3 k_B}\Bigl(\frac{1}{2} m\bar{v^2}\Bigr)$$Podemos despejar la energía cinética molecular como:
$$\frac{1}{2} m\bar{v^2} =\frac{3}{2} k_B T$$Puesto que $\bar{v^2_x}=\frac{1}{3}\bar{v^2}$, se concluye que
$$\frac{1}{2} m\bar{v^2_x} =\frac{1}{2} k_B T$$El siguiente teorema, llamado el teorema de la
equipartición de la energía, establece que:
La energía de un sistema en equilibrio térmico se divide por igual entre todos los grados de libertad.
La energía cinética traslacional de N moléculas es simplemente N veces la energía promedio por molécula, entonces:
$$E_c = N\Bigl(\frac{1}{2} m\bar{v^2}\Bigr) = \frac{3}{2} k_B T= \frac{3}{2} nRT$$Puesto que $\sqrt{\bar{v^2}}$ se conoce como velocidad cuadrática media de las moléculas (rms, por sus siglas en inglés). Para la velocidad rms tenemos:
$$v_{rms}= \sqrt{\bar{v^2}}= \sqrt{\frac{3k_BT}{m} }= \sqrt{\frac{3RT}{M} }$$Como ejemplo, puedes ver los valores de la velocidad cuadrática media para algunos gases:
Gas | Masa molar (g/mol) | vrms a 20ºC (m/s) |
---|---|---|
H2 | 2.02 | 1902 |
He | 4 | 1352 |
H2O | 18 | 637 |
Ne | 20.1 | 603 |
N2 | 28 | 511 |
NO | 30 | 494 |
CO2 | 44 | 408 |
SO2 | 64 | 338 |