Ley de los gases

Partiendo de la simulación de termalizacion, se simula un gas encerrado en un pistón a presión constante y/o (aproximadamente) a temperatura constante. Permite comprobar la ley de los gases ideales P*V=n*R*T. En lugar de la temperatura se mide la energía cinética de las partículas, que es proporcional.

A la simulación de termalización se han añadido en el panel de control cuatro controles. "f_embolo" es la presión exterior que se aplica sobre el émbolo. "t_fuente" regula la simulación de un baño caliente (heatbath). "Fijo" bloquea el émbolo para mantener la condición de volumen constante, o lo desbloquea para aplicar la condición de presión constante. "heatbath" activa o desactiva una simulación de un baño caliente a temperatura constante. En concreto, modifica la velocidad de cada partícula que colisiona con las paredes de la caja al valor definido con el control "t_fuente".

Para simular el émbolo se ha colocado una esfera (no visible) de radio 1.000.000 y masa 100.000. La posición del émbolo coincide con la del borde exterior de la esfera. A dicha esfera se le aplica la fuerza en sentido vertical hacia abajo definida en el control "f_embolo". Las colisiones elásticas de las partículas encerradas en la caja con esta esfera superior provocan el desplazamiento de ésta, que compite con la fuerza constante aplicada, de forma que en el equilibrio se iguala la presión exterior con la del gas. Se aplica también una pequeña fuerza de fricción al émbolo, proporcional a 0.01 * V, para evitar oscilaciones del émbolo.

A la izquierda de la pantalla se presenta el número de colisiones de las partículas con las paredes, la altura del émbolo (proporcional al volumen), la media del cuadrado de la velocidad de las partículas v^2, que es proporcional a la temperatura del gas y la presión del gas (calculada como el cambio de momento en las colisiones con el émbolo partido por el tiempo). La caja tiene una base de 420*420. Las partículas tienen masa m=10.

Se puede simular una expansión/contracción adiabática dejando termalizar primero el gas y activando el émbolo. Experimentalmente se comprueba que a presión constante el volumen es proporcional a la temperatura (v^2) final de las partículas. Y que al expandir o contraer el gas, este se enfría/calienta. Se puede medir el coeficiente adiabático (que debería corresponder al de un gas monoatómico) midiendo la altura del émbolo en equilibrio para diferentes presiones a partir de una temperatura inicial constante (la final depende de la presión, ya que no es un proceso isotérmico).

Activando el heatbath se puede conseguir aproximadamente mantener constante la temperatura del gas mientras expande o contrae (isotérmico), aunque debido a la aleatoriedad de las colisiones, la temperatura oscila y no se consigue un experimento isotérmico perfecto.

Gráficamente, delante de la caja, se representa la distribución de velocidades, la altura del émbolo en función del tiempo y el punto (P.V.T) instantáneo, no necesariamente en equilibrio, del espacio de fases del gas.

El color de las partículas varía en función de su velocidad desde azul para velocidades bajas hasta rojo para velocidades altas.

Es conveniente dejar termalizar las partículas antes de activar los controles.

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