Física ou Química Aplicada a Farmácia

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Universidade de Brasília

Faculdade de Ceilândia

Disciplina: Físico-Química Aplicada à Farmácia

Profº: Doutor Paulo Barboni

Equipartição de energia e Lorde Kelvin

Aluna: Larissa do Nascimento Rodrigues

Matrícula: 160011507

Brasília, 14 de setembro de 2016

1. Descreva o princípio da equipartição de energia e como ele se relaciona com as propriedades termodinâmicas de um sistema, como a temperatura e a capacidade térmica.

O teorema da equipartição é uma fórmula geral que relaciona a temperatura de um sistema com a sua energia média, onde a ideia central é a de que, em equilíbrio térmico a energia é partilhada de maneira igual entre as suas várias formas. Por exemplo cada molécula num gás perfeito possui uma energia cinética média com um valor de (3/2)kBT, em equilíbrio térmico, onde kB é a constante de Boltzmann e T é a temperatura. De uma maneira mais geral, o teorema pode ser aplicado a qualquer sistema físico clássico em equilíbrio termodinâmico, não importando o seu grau de complexidade.             O teorema pode ser utilizado para derivar a lei dos gases ideais e alei de Dulong-Petit para os calores específicos dos sólidos. Também pode ser utilizado para prever as propriedades das estrelas.

1. Pesquise e descreva as dificuldades encontradas por Lorde Kelvin e seus contemporâneos em relacionar as capacidades térmicas dos gases com os valores preditos pela teoria da física clássica.

 Em 1819, os franceses Pierre Louis Dulong e Alexis Thérèse Petit descobrem que os calores específicos molares dos sólidos a temperatura ambiente eram quase idênticos, uns 6 cal/(mol·K). Esta lei foi utilizada por muitos anos como a técnica para medir massa atómica. No entanto, estudos posteriores por James Dewar e Heinrich Friedrich Weber mostraram que a lei de Dulong-Petit só é válida a altas temperaturas, a baixas temperaturas, ou para sólidos excepcionalmente duros tais como o diamante, o calor específico era menor.

Medições experimentais do calor específico dos gases também despertaram dúvidas com respeito à validade do teorema da equipartição, onde falava que a capacidade calorífica molar de gases monoatómicos simples deveria ser de uns 3 cal/(mol·K), enquanto que a de gases diatómicos deveria ser de uns 7 cal/(mol·K).

Esta predição foi confirmada mediante experiências, mas encontrou-se que as capacidades caloríficas molares de gases diatómicos possuem valores próximos a 5 cal/(mol·K), que desce a uns 3 cal/(mol·K) a muito baixas temperaturas.Maxwell observou, em 1875, que a discrepância entre as experiências e o teorema da equipartição era ainda pior que os  valores descobertos, dado que os átomos são formados por partículas, seria de esperar que a energia calórica contribui também para aumentar o movimento destas partes internas, fazendo que os calores específicos preditos para gases monoatómicos e diatómicos fossem maiores que 3 cal/(mol·K) e 7 cal/(mol·K), respectivamente.

Uma terceira discrepância é o valor do calor específico dos metais. De acordo com o modelo clássico de Drude, os elétrons metálicos comportam-se de forma similar a um gás quase ideal, portanto deveriam contribuir com (3/2) Ne kB para a capacidade calorífica segundo o teorema de equipartição, onde Ne é o número de elétrons. No entanto, comprovou-se experimentalmente que os elétrons contribuem em muito pequena medida para a capacidade calorífica: as capacidades caloríficas de muitos materiais condutores e isolantes são praticamente iguais.

Propuseram-se várias explicações para a falha do teorema da equipartição em reproduzir as capacidades caloríficas molares. Boltzmann defendia o seu teorema da equipartição já que considerava que a sua dedução era correta, mas para ele talvez os gases não se encontrassem em equilíbrio térmico por causa da sua interação com o éter. Lord Kelvin sugeriu que a derivação do teorema da equipartição deviam estar incorretos, uma vez que discordavam com as experiências, mas não soube explicar a causa. Lord Rayleigh, por sua vez, lançou a ideia que o teorema da equipartição e a suposição experimental sobre o equilíbrio térmico eram ambas corretas. Para resolver o problema, ele postulou a necessidade de contar com um princípio novo que providenciaria uma saída da simplicidade destrutiva do teorema da equipartição.