SimuLab
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| Objetivo : Reconocer la diferenciua entre un gas y un líquido en término de las energías de las partículas. Al realizar este simulab, usted será capaz de: Diferenciar entre los estados gaseosos y líquidos en términos de la energía cinética y potencial media de las partículas. Contrastar la energía potencial de una molécula en el centro de una gota con la de una en el borde. Enunciar la relación entre la trayectoria de una partícula y su energía potencial. Explicar la liberación de calor latente cuando un gas condensa. |
1.
Abra SMD, seleccione Experiment 1 de los experimentos
predeterminados en la carpeta Energy y presione Start.
Ponga Iterations between Displays en 5. |
Usted
está visualizando 144 partículas de un gas a alta densidad.
No hay intercambio de calor con el entorno (el sistema está térmicamente
aislado) entonces la energía total del sistema se conserva. |
2.
Pause la simulación y reduzca la temperatura a 0.01. Presione
Start. |
Al
principio las partícula se frenan, pero en seguida empiezan a acelerarse
una hacia las otras y forman pequeñas gotas. La formación
de una gota se llama condensación. Este fenómeno ocurre
naturalmente en las nubes. |
P3.13:
Contraste la energía potencial de una partícula que se encuentra
en el centro de la gota con una que se encuentra en el borde. Explique
su razonamiento. |
3.
Para aumentar la velocidad de la simulación ponga Iteration
between Displays en 100. Presione Pause y cambie Display
Particles by a Potential Energy y presione Start. |
La
temperatura aumenta hasta que se estabiliza en un valor. Note que la gota
se de desarma y que el color de las partículas en el medio de la
gota se torna amarillo (i. e. estas partículas tienen, relativamente,
baja energía potencial). |
P3.14:
Que ocurrió cuando usted bajó la temperatura de su sistema
a 0.01? Explique el aumento de temperatura observado. |
El aumento de temperatura - la liberación de "calor latente"- durante la condensación es un fenómeno muy conocido. El calor latente de condensación es el aumento de la energía cinética (energía de movimiento térmico) de todas las partículas causada por una disminución de la energía potencial de las partículas que se atraen para formar la gota. Si usted continúa la simulación (50-60 unidades de tiempo), la temperatura aumentará lo suficiente cómo para que las partículas de la gota adquieran la energía cinética necesaria como para escapar del líquido y moverse entre las partículas gaseosas (Vea la Fig. 3.6). La gota deja de crecer, se rompe y vuelve a formarse. |
4.
Cambie el gráfico a Energies. Después de 50 unidades
de tiempo, Reactualize el experimento y repita el paso 2 |
Note
cómo, durante el experimento, la energía potencial promedio
disminuyó mientras que la energía cinética media
aumentó. |
P3.15:
Explique porqué durante la condensación, en un sistema térmicamente
aislado, se forman muchas gotas pequeñas que no coalescen para
formar una única gota. |
5.
Reactualize el experimento. Cambie Display Particles by
a Potential Energy. Cambie el gráfico a Energies
y ponga la temperatura en T = 0.4. Esta temperatura está por debajo,
si bien está muy cerca, del punto de condensación. Ponga
el Heat Bath (baño térmico) en on y presione Start.
Observe al sistema durante 200 unidades de tiempo. |
Para
simular una transición gas-líquido, debemos enfriar más
al sistema. Para lograr esto, debemos disipar el calor latente de condensación
producido al entorno. Esto se logra poniendo al sistema en contacton térmico
con el entorno ( Heat Bath on). Ahora el sistema intercambiará
energía con el entorno. Vea como asi las gotas se forman sin romperse.
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P3.16:
Que le sucede a las energías, Ek, Ep y ET
del sistema? |
6.
Como el proceso de condensación tarda bastante en tiempo de cómputo,
le recomendamos abrir el archivo del Experiment1a. Cambie el panel
de visualización a energía potencial. |
El
experimento empieza en el momento en el cuál casi todas las partículas
han coalescido en una gota grande. (Ver Fig. 3.7). |
P3.17:
Observe los colores de las partículas en la gota grande. (Ver
Fig. 3.7). En el centro son
naranjas y amarillas, mientras que en los bordes son verdes.
Explique porqué? Pista: cuántos vecinos tienen las partículas del centro comparadas con las del borde? |
Note
que aún quedan partículas libres (celestes de gas) en el
sistema. Estas partículas a veces salen de la gota y otras veces
coalescen con ella. Estas partículas representan a un gas en equilibrio
con el líquido: la tasa de partículas que deja la gota es
la misma que la tasa que coalesce con ella. |
P3.18:
Explique los cambios que observa cuando una partícula se une a
la gota o cuando la abandona en términos de la enegía potencial
de las partículas |
7.
Cambie Display Particles by a Trajectories y presione Start.
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Las
partículas en la gota se mueven a lo largo de trayectorias curvas,
mientras que en el gas se mueven a lo largo de líneas rectas. |
P3.19:
Cómo explica usted esas trayectorias en términos de la energía
potencial de las partículas? |
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