Lectura – Física estadística: variables termodinámicas y grados de libertad

La Física Estadística es una rama de la física que se dedica a entender el comportamiento de sistemas compuestos por una gran cantidad de partículas. Estos sistemas pueden ser tan pequeños como partículas subatómicas o tan grandes como la atmósfera terrestre. Su objetivo es describir cómo estas partículas interactúan entre sí y cómo se distribuyen sus propiedades en un estado dado. En este contexto, es fundamental comprender las variables termodinámicas y los grados de libertad de las partículas, conceptos esenciales para comprender la física de los sistemas termodinámicos.

Variables termodinámicas

Las variables termodinámicas son magnitudes que describen el estado de un sistema termodinámico. Son fundamentales para entender cómo funcionan y se comportan los sistemas físicos a nivel macroscópico. Las variables termodinámicas más comunes son:

Temperatura (T): La temperatura es una medida de la energía térmica promedio de las partículas en un sistema. Se mide en grados Kelvin (K) en el Sistema Internacional. A medida que la temperatura aumenta, las partículas se mueven con mayor energía térmica y el sistema tiende a estar en un estado más caótico.
Presión (P): La presión es la fuerza ejercida por las partículas sobre las paredes del contenedor que las contiene. Se mide en pascales (Pa) en el Sistema Internacional. La presión está relacionada con la energía cinética de las partículas y la frecuencia de sus colisiones.
Volumen (V): El volumen es el espacio ocupado por el sistema. Se mide en metros cúbicos (m³) en el Sistema Internacional. La relación entre la presión, la temperatura y el volumen se describe mediante la ley de los gases ideales.
Energía Interna (U): La energía interna es la suma de todas las energías de las partículas en el sistema. Incluye la energía cinética debida a la traslación, vibración lineal y rotación, así como las energías potenciales debidas a las interacciones entre partículas.

Grados de libertad

Las moléculas y átomos tienen diferentes formas de movimiento, y estas formas se describen mediante los grados de libertad. Los tres tipos principales de grados de libertad son:

Traslación: Este grado de libertad se refiere al movimiento de una molécula en línea recta a través del espacio. Las moléculas pueden moverse en tres direcciones espaciales ortogonales (x, y, z), por lo que las moléculas monoatómicas tienen tres grados de libertad de traslación.
Vibración Lineal: Algunas moléculas pueden vibrar, lo que significa que sus átomos se mueven de manera alternante hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un eje. Las moléculas diatómicas lineales tienen dos grados de libertad de vibración lineal, uno para cada átomo.
Rotación: Las moléculas también pueden rotar alrededor de sus ejes. Las moléculas diatómicas tienen dos grados de libertad de rotación: uno alrededor de su eje longitudinal y otro alrededor de un eje perpendicular a ese. Sin embargo, las moléculas no lineales tienen tres grados de libertad de rotación adicionales.

En resumen, la Física Estadística se ocupa de estudiar cómo estas variables termodinámicas se relacionan y cómo afectan el comportamiento de los sistemas físicos a nivel macroscópico. Comprender los grados de libertad de las moléculas es esencial para calcular la energía interna de un sistema y predecir su comportamiento térmico en condiciones diversas. La física estadística nos brinda las herramientas para modelar y entender una amplia variedad de fenómenos físicos, desde gases ideales hasta sistemas complejos de partículas.