Equipartición de Energía

El teorema de equipartición de la energía establece que las moléculas en equilibrio térmico, tienen la misma energía promedio asociada a cada independiente grado de libertad de movimiento y que esa energía es

La equipartición de energía resultante

sirve bien para la definición de la temperatura cinética, puesto que implica exactamente a los grados de libertad de traslación, pero falla en la predicción de los calores específicos de los gases poliatómicos, porque el aumento de la energía interna debido al calentamiento de tales gases, añade energía a los grados de libertad rotacional y quizas vibracional. Cada modo vibracional, obtendrá kT/2 de energía cinética y kT/2 de energía potencial. En el teorema de virial se aborda la igualdad de la energía cinética y potencial. La equipartición de la energía también tiene implicaciones en la radiación electromagnética cuando está en equilibrio con la materia, teniendo cada modo de radiación kT energía en la ley de Rayleigh-Jeans.

En los grados libertad traslacional solamente, la equipartición se puede ver que sigue la distribución de Boltzmann.

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Energía Térmica Media	Constantes Definidas
Calores Específicos de Sólidos	Calores Específicos de Gases

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Energía Térmica

La energía cinética traslacional media que poseen las partículas libres, dada por la equipartición de energía, se llama a veces energía térmica por partícula. Es útil en la toma de decisiones sobre si la energía interna que posee un sistema de partículas, será suficiente para originar otros fenómenos. Es tambien útil para las comparaciones con otros tipos de energía que poseen las partículas, distintas de las que tienen como resultado de solamente su temperatura.

Constantes Definidas

(Si no especifica un valor en el cálculo de arriba, se usa por defecto, la masa de una molécula de agua -18 uma-. La velocidad de la molécula de agua a diferentes temperaturas, es un buen ejemplo de velocidades moleculares asociadas con la energía interna de las moléculas.)

La energía térmica calculada, nos provee de una útil comparación con las energías involucradas en otros fenómenos físicos. Por ejemplo, en la interacción de la radiación con la materia, es útil comparar la energía cuántica de los fotones de la radiación, con la energía térmica a la temperatura existente. La energía de fotón asociada con los fotones en un horno microondas a frecuencia de 2,45 GHz. es de unos 10^-5 eV. La energía térmica media a 20°C es 0,04 eV., unas 3700 veces mayor. Esto sugiere que los efectos específicos de los fotones de microondas en las rotaciones moleculares, serán rapidamente desdibujados aleatoriamente, por la abrumadora energía térmica del entorno, de modo que la contribución de las microondas será la de "calentar", contribuir a la elevación de la temperatura del material.

Distribución de Velocidad Molecular en un Gas Ideal

Fracción de Partículas por Arriba de Cierta Energía

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Energía Interna de un Gas Ideal

La energía interna en general, incluye ambas energía cinética y energía potencial asociadas con el movimiento molecular. Pero la energía potencial está asociada con las fuerzas intermoleculares y se supone que es cero en un gas ideal, donde las solamente interacciones moleculares, son colisiones perfectamente elásticas entre las moléculas. Por tanto, la energía interna de un gas ideal es enteramente energía cinética.

Aunque el vapor a 100º Celsio no es estrictamente un gas ideal, el diagrama ilustra el hecho de que el cambio de fase al estado gaseoso, afecta solamente a la parte de energía cinética de la energía interna. En un gas ideal monoatómico, esta energía interna esta dada por

Si están implicadas las energías cinéticas vibracional y rotacional (gases poliatómicos), entonces

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