Suba uma montanha e o ar rareia: a três mil metros a pressão caiu para 0.7bar, no alto do Everest para um terço de seu valor ao nível do mar. Nada confina a atmosfera por cima; ela é retida pela gravidade e espalhada pela agitação térmica, e o compromisso entre as duas é uma exponencial, n∝e−mgz/kBT — a razão entre a energia potencial de uma molécula e kBT decide quão rara ela é lá em cima. A mesma exponencial governa a fração de átomos num nível excitado, o número de moléculas rápidas o bastante para escapar de um planeta, a magnetização de um paramagneto, as populações que um laser deve inverter e os quanta que a lei de Planck conta: é o fator de Boltzmann, a fórmula mais útil de toda a física estatística. Este capítulo o motiva com a atmosfera, enuncia-o em geral e dele extrai, com nada além de somas e integrais gaussianas, o sistema de dois níveis e sua capacidade térmica, a equipartição da energia, a distribuição das velocidades moleculares e a lei de Curie do paramagnetismo — e, pelo caminho, a energia média de um oscilador quântico, que é a fórmula de Planck.
Vista de um cume, a bruma da baixa atmosfera e o azul profundo acima: a densidade do ar cai por um fator e a cada 8km — o fator de Boltzmann da energia potencial de uma molécula na gravidade da Terra.
29.1 A atmosfera isotérmica
Proposição 29.1(Lei barométrica)
Numa atmosfera de gás perfeito (massa molecular m) a temperatura uniforme T na gravidade uniforme g, a pressão e a densidade numérica caem exponencialmente com a altitude:
P(z)=P0e−z/H,n(z)=n0e−mgz/kBT,H=mgkBT,
com a altura de escalaH≈8.4km para o ar a 288K. O expoente é a razão entre a energia potencial mgz de uma molécula e a energia térmica kBT.
Demonstração. Hidrostática, dP/dz=−ρg=−nmg, e a lei dos gases perfeitos P=nkBT: dP/dz=−(mg/kBT)P, uma exponencial. A atmosfera real esfria com a altitude (cerca de 6.5K/km nos dez primeiros quilômetros), o que torna a queda um pouco mais rápida; o modelo isotérmico é bom a 20%. ∎
A atmosfera isotérmica: a pressão e a densidade caem de 1/e a cada altura de escalaH=kBT/mg; um gás mais leve teria um H maior — mas abaixo de 100km a turbulência mantém o ar misturado, e todos os gases partilham o H médio.
29.2 O fator de Boltzmann
Teorema 29.2(Fator de Boltzmann)
Um sistema em equilíbrio térmico com um termostato à temperatura T é encontrado num dado estado microscópico de energia E com probabilidade proporcional a
e−E/kBT.
Daí, para um conjunto de estados discretos de energias Ei,
pi=Ze−Ei/kBT,Z=i∑e−Ei/kBT,
sendo a soma Z (a função de partição) a que normaliza as probabilidades; dois estados (ou dois níveis de mesma degenerescência) são povoados na razão N2/N1=e−(E2−E1)/kBT; e, para uma variável contínua (uma posição, uma velocidade), a densidade de probabilidade é proporcional a e−E/kBT nessa variável. A 300K, kBT=4.1×10−21J=0.026eV: tudo o que custa muito mais que isso é raro, e tudo o que custa muito menos é livremente excitado.
Demonstração. A lei barométrica é o fator para a energia potencial mgz; admitimos sua generalidade, mas eis o argumento (tornado rigoroso no volume do terceiro ano). O termostato R é grande; quando nosso pequeno sistema está num estado de energia E, o termostato tem a energia Etot−E, e pode estar em ΩR(Etot−E) estados microscópicos, todos igualmente prováveis (o postulado fundamental para um todo isolado). Logo p(E)∝ΩR(Etot−E). Com a definição de Boltzmann da entropia, SR=kBlnΩR, e 1/T=dSR/dER para o termostato, lnΩR(Etot−E)≈lnΩR(Etot)−E/kBT, já que E≪Etot; exponencie. ∎
Exemplo 29.3(Populações de níveis atômicos)
O primeiro nível excitado do hidrogênio fica 10.2eV acima do estado fundamental: a 300K, e−395 — nenhum átomo no universo; a 6000K, a superfície do Sol, e−19.7≈3×10−9 (vezes uma degenerescência de 4): o bastante, na enorme coluna de gás do Sol, para as linhas de absorção de Balmer, que são mais fortes em estrelas perto de 10000K. A linha D do sódio (2.1eV) numa chama a 2500K: e−9.8=6×10−5 dos átomos estão excitados, o que dá a chama amarela de uma pitada de sal. E o meio laser do Capítulo 23: o fator diz que seu nível superior está vazio em equilíbrio, e o bombeio precisa lutar contra isso.
29.3 Níveis discretos: o sistema de dois níveis e o oscilador
Proposição 29.4(Energia média a partir da função de partição)
Com β=1/kBT,
⟨E⟩=i∑piEi=−∂β∂lnZ,C=dTd⟨E⟩.
Demonstração.∂βZ=−∑Eie−βEi, divida por Z. ∎
Proposição 29.5(Sistema de dois níveis)
N sistemas independentes com dois níveis 0 e ε (spins num campo, átomos com um nível excitado, defeitos com duas posições):
O nível superior está vazio a baixa temperatura e, no máximo, meio cheio a alta temperatura (nunca invertido em equilíbrio); a capacidade térmica se anula nos dois extremos e tem um pico de 0.44NkB perto de kBT=0.42ε — a anomalia de Schottky, a assinatura de um intervalo no espectro.
Demonstração.Z=1+e−x; p2=e−x/(1+e−x); derive ⟨E⟩ em relação a T. ∎
O sistema de dois níveis: populações em função da temperatura (o nível superior se enche rumo à metade, nunca além) e a capacidade térmica de Schottky, uma corcova onde kBT iguala o intervalo.
Proposição 29.6(O oscilador quântico e a fórmula de Planck)
Um oscilador harmônico de frequência ν tem os níveis En=nhν (a menos de uma constante); à temperatura T,
Esta é a energia média de um modo do campo de radiação que a lei de Planck (Capítulo 26) multiplica pelo número de modos, e a energia média de uma vibração num sólido: a alta temperatura o kBT clássico, a baixa temperatura um modo congelado.
Demonstração. Série geométrica, depois −∂βlnZ. ∎
Exemplo 29.7(Capacidade térmica dos sólidos)
Trate cada átomo de um sólido como três osciladores de mesma frequência ν (Einstein, 1907): C=3NkBx2ex/(ex−1)2 com x=hν/kBT. Acima de θE=hν/kB, C→3NkB=3R por mol — a lei de Dulong e Petit (25J/mol/K), obedecida pelo chumbo, pelo cobre e pelo ferro à temperatura ambiente; muito abaixo dela, C desaba. O diamante (θE≈1300K) tem apenas 6J/mol/K a 300K, o que a física clássica não sabia explicar, e a capacidade térmica de todo sólido se anula a baixa temperatura — o primeiro sucesso do quantum fora da radiação.
29.4 Equipartição e distribuição de Maxwell
Teorema 29.8(Equipartição da energia)
Toda variável q que entra quadraticamente na energia, E=aq2+…, e que percorre todos os valores reais contribui com 21kBT para a energia média em equilíbrio:
⟨aq2⟩=21kBT.
Um gás monoatômico (três translações) tem U=23NkBT e CV=23R por mol; um gás diatômico acrescenta duas rotações, CV=25R, e sua vibração (dois termos quadráticos, mas quantizada com hν≫kBT à temperatura ambiente) fica congelada até alguns milhares de kelvins.
Demonstração. A densidade de probabilidade em q é ∝e−aq2/kBT, uma gaussiana:
⟨aq2⟩=∫e−aq2/kBTdq∫aq2e−aq2/kBTdq=21kBT
(derive ∫e−λq2dq=π/λ em relação a λ). O resultado exige o contínuo: quando os níveis estão espaçados de mais que kBT o fator congela a variável, como para o oscilador acima. ∎
Teorema 29.9(Distribuição de velocidades de Maxwell)
Num gás a T, as componentes da velocidade são gaussianas independentes de variância kBT/m, e o módulo da velocidade v=∣v∣ tem a densidade de probabilidade
f(v)=4π(2πkBTm)3/2v2e−mv2/2kBT,
com as velocidades mais provável, média e quadrática média
vp=m2kBT,⟨v⟩=πm8kBT,vrms=m3kBT,
nas razões 1:1.13:1.22. Para o nitrogênio a 300K: 422, 476, 517m/s; para o hidrogênio, 3.7 vezes mais; a cauda da distribuição, ∝e−mv2/2kBT, é o que permite às moléculas mais rápidas evaporar, reagir ou deixar um planeta.
Demonstração. A energia cinética 21m(vx2+vy2+vz2) dá um fator e−mvx2/2kBTe−mvy2/2kBTe−mvz2/2kBT: três gaussianas independentes, cada uma normalizada por m/2πkBT. A distribuição do módulo reúne todas as velocidades na casca de raio v e volume 4πv2dv. Depois vp vem de df/dv=0, e os momentos de ∫0∞v3e−av2dv=1/2a2, ∫0∞v4e−av2dv=83π/a5; vrms também decorre da equipartição, 21m⟨v2⟩=23kBT. ∎
A distribuição de velocidades de Maxwell para o nitrogênio a três temperaturas: o pico se desloca como T, a curva se alarga, e a cauda de altas velocidades cresce mais depressa que tudo — a cauda que decide o escape e as velocidades de reação.
Exemplo 29.10(Quem deixa o planeta)
A velocidade de escape da Terra é 11.2km/s. Na exosfera, perto de 1000K, o hélio tem vp=2.0km/s: a fração de átomos acima da velocidade de escape é da ordem de e−(11.2/2.0)2=e−31≈10−13 — pequena, mas renovada a cada colisão durante bilhões de anos: o hélio vaza, e sua abundância no ar é de apenas 5ppm, apesar de sua produção constante por decaimento radioativo. Para o nitrogênio o expoente é sete vezes maior, e−220: o nitrogênio fica. Na Lua (vesc=2.4km/s) até o nitrogênio a 400K (vp=490m/s) tem e−24 por tempo de colisão: ao longo da idade do sistema solar, nenhuma atmosfera sobrevive.
29.5 Paramagnetismo e a lei de Curie
Proposição 29.11(Paramagneto de spin 1/2)
N momentos magnéticos independentes que só podem apontar a favor ou contra o campo B, com energias ∓μB, têm à temperatura T o momento médio e a magnetização
⟨μz⟩=μtanhkBTμB,M=nμtanhkBTμB⟶{nμ2B/kBTnμ(μB≪kBT):lei de Curie,(μB≫kBT):saturac¸a˜o.
A suscetibilidade χ=μ0M/B=μ0nμ2/kBT varia como 1/T (lei de Curie); com μ=μB=9.27×10−24J/T, μB/kBT=2.2×10−3 a 1T e 300K, de modo que os paramagnetos comuns mal se magnetizam; a 1K o mesmo campo dá 0.67 e a saturação começa.
Demonstração.p±∝e±μB/kBT: ⟨μz⟩=μ(ex−e−x)/(ex+e−x) com x=μB/kBT; tanhx≈x para x pequeno. ∎
Magnetização de um paramagneto de spin 1/2: linear em B/T em campos pequenos (Curie), saturando quando μB ultrapassa kBT — o que só se alcança a um tesla abaixo de um kelvin, o que faz da curva um termômetro para as experiências mais frias.
Observação 29.12(O que o fator não faz)
O fator de Boltzmann descreve o equilíbrio a uma temperatura; ele nada diz sobre velocidades de processo (quão depressa o equilíbrio é atingido — embora uma energia de ativação Ea dê taxas ∝e−Ea/kBT, a lei de Arrhenius encontrada para a difusão nos sólidos). Ele se aplica a subsistemas independentes ou ao todo; para partículas quânticas idênticas em alta densidade (elétrons num metal, fótons, hélio perto do zero absoluto) ele é substituído pelas distribuições de Fermi–Dirac e de Bose–Einstein do volume do terceiro ano, das quais ele é o limite diluído.
Método 29.13(Estimativas com Boltzmann)
(1) Calcule E/kBT; kBT=0.026eV a 300K e 1eV a 11600K. (2) Razões de populações: e−ΔE/kBT (vezes as degenerescências). (3) Níveis discretos: Z, depois ⟨E⟩=−∂βlnZ, depois C. (4) Variáveis contínuas quadráticas: 21kBT cada uma, se não estiverem congeladas. (5) Velocidades: vp=2kBT/m e a cauda gaussiana. (6) Spins: tanh(μB/kBT), o 1/T de Curie.
29.6 Exercícios
Exercício 29.1★
Altura de escala do ar a 288K (M=29g/mol); pressão a 3000m, a 8849m, a 10km (compare com os 0.26bar medidos); altura de escala do hélio sozinho; da atmosfera marciana (CO2, 210K, g=3.7m/s2).
Solução
Solução de Exercício 29.1.
H=kBT/mg=8.4km; 0.70, 0.35, 0.30bar (o valor real, 0.26: o ar esfria com a altura); hélio 61km; Marte 10.7km.
Exercício 29.2★
Populações: o nível n=2 do hidrogênio (10.2eV, degenerescência 4 contra 1) a 300K, 6000K, 10000K; o nível de 2.1eV do sódio numa chama a 2500K; um nível de rotação molecular a 1×10−3eV a 300K; um nível de spin nuclear separado por 1×10−7eV num ímã a 300K.
Solução
Solução de Exercício 29.2.
Hidrogênio: 4e−395≈10−171; 4e−19.7=10−8; 4e−11.8=3×10−5. Sódio: e−9.8=6×10−5. Rotação: e−0.04=0.96, quase igual. Spin nuclear: 1−4×10−6 — a polarização minúscula com que a ressonância magnética trabalha.
Exercício 29.3★
Velocidades de Maxwell (vp, ⟨v⟩, vrms) para o N2 a 300K e a 77K, para o H2 a 300K, e para uma partícula de fumaça de 1×10−18kg. Fração de moléculas mais rápidas que 2vp (cerca de 4.6%) e que 3vp (cerca de 4×10−4): comente a cauda.
Solução
Solução de Exercício 29.3.
N2 a 300K: 422, 476, 517m/s; a 77K: 214, 241, 262m/s; H2: 1580, 1780, 1930m/s; partícula de fumaça: 9cm/s (seu tremor browniano). Acima de 2vp, uma molécula em vinte; acima de 3vp, uma em 2500 — ainda 1022 por metro cúbico.
Exercício 29.4★
Momentos de spin 1/2 com μ=μB, n=1×1028m−3, B=1T: x=μB/kBT a 300K e a 1K; M/Msat; Msat; a suscetibilidade a 300K. Compare com a magnetização de saturação do ferro (1.7×106A/m).
Solução
Solução de Exercício 29.4.
x=2.2×10−3 e 0.67; M/Msat=2.2×10−3 e 0.59; Msat=nμ=9.3×104A/m; χ=μ0nμ2/kBT=2.6×10−4. Os 1.7×106A/m do ferro são cooperativos, não um efeito de Boltzmann.
Exercício 29.5★★
Dois níveis. (a) Deduza p1, p2, ⟨E⟩ a partir de Z. (b) Mostre que N2<N1 a toda temperatura positiva; o que significaria N2>N1 para T? (c) Entropia S=−NkB∑pilnpi do sistema em T→0 e T→∞. (d) Um defeito num cristal pode ocupar duas posições separadas por 0.05eV: ocupação da superior a 300K e a 77K.
Solução
Solução de Exercício 29.5.
(a) Proposição 29.5. (b) e−x<1 para T>0; N2>N1 exigiria T<0 — uma inversão de população. (c) 0 e NkBln2. (d) x=1.93: 0.13; a 77K, x=7.5: 5×10−4.
Exercício 29.6★★
Schottky. (a) Deduza C(T) do sistema de dois níveis. (b) Localize seu máximo numericamente (x=2.40) e seu valor. (c) Limites a baixa e a alta T, com seu significado físico. (d) Os spins nucleares do cobre em 1T têm ε≈1×10−7eV: a que temperatura fica seu pico de Schottky, e por que isso importa para os criostatos mais frios?
Solução
Solução de Exercício 29.6.
(a) Derivada de Nε/(ex+1). (b) x=2.40, C=0.44NkB. (c) ∝x2e−x→0: congelado; ∝1/T2→0: os dois níveis cheios, nada mais a absorver. (d) kBT=0.42ε: 0.5mK; abaixo de um milikelvin os spins nucleares detêm a maior parte da capacidade térmica e retardam todo resfriamento.
Exercício 29.7★★
Equipartição e sua falha. (a) Deduza ⟨aq2⟩=kBT/2 com a integral gaussiana. (b) CV de um gás monoatômico e de um gás diatômico rígido. (c) A vibração do nitrogênio tem hν/kB=3400K: usando a energia média do oscilador, CV a 300K, 1000K, 3000K. (d) Sólido de Einstein: C em T=θE, θE/4, 4θE em unidades de 3R; o diamante à temperatura ambiente.
Maxwell em detalhe. (a) Mostre que as componentes da velocidade são gaussianas independentes e deduza f(v). (b) Calcule vp, ⟨v⟩, vrms. (c) Energia cinética média: confira com a equipartição. (d) O fluxo de moléculas que atingem uma parede vale 41n⟨v⟩ por unidade de área e de tempo (admitido): número de moléculas de N2 que atingem 1cm2 por segundo a 1bar e 300K; e a taxa com que um furo de 1µm deixa entrar ar numa câmara de vácuo (efusão).
Solução
Solução de Exercício 29.8.
(a), (b) Teorema 29.9. (c) 23kBT. (d) 41n⟨v⟩=2.9×1027m−2s−1: 3×1023 por centímetro quadrado por segundo; através de 7.9×10−13m2: 2.3×1015 moléculas por segundo, um vazamento de 1×10−5Pam3/s.
Exercício 29.9★★
Escape. (a) Fração de um gás de Maxwell mais rápida que v: mostre que ela vale aproximadamente (2/π)xe−x2 para x=v/vp≫1. (b) Hélio a 1000K acima de 11.2km/s; nitrogênio. (c) Lua, vesc=2.4km/s, 400K: nitrogênio, e que temperatura o reteria pela idade do sistema solar (tome 1017 tempos de colisão: fração de escape abaixo de 10−17). (d) Por que Titã (2.6km/s, 94K) guarda uma atmosfera espessa de nitrogênio?
Solução
Solução de Exercício 29.9.
(a) Integre f por partes; o termo dominante é (2/π)xe−x2. (b) Hélio x=5.5: 5×10−13; nitrogênio x=14.5: e−211. (c) x=4.9: 10−10 por tempo de colisão — foi-se; 10−17 exige x≈6.6, T≲230K. (d) x=11: e−121; frio o bastante.
Exercício 29.10★★★
Outros potenciais. (a) Numa centrífuga que gira a ω, a energia potencial efetiva vale −21mω2r2: perfil de densidade n(r). (b) Hexafluoreto de urânio, dois isótopos com Δm=3u, ω=2π×1000Hz, r=10cm, 300K: fator de enriquecimento de um estágio. (c) Esferas coloidais (massa aparente m′=2.6×10−17kg) em água a 293K: altura de escala de seu equilíbrio de sedimentação; como isso deu o número de Avogadro? (d) Um gás de elétrons num campo E: por que o perfil de Boltzmann eeEx/kBT é a base do comprimento de blindagem de Debye λD=ε0kBT/ne2 de um plasma (esboce o argumento)?
Solução
Solução de Exercício 29.10.
(a) n=n0emω2r2/2kBT. (b) eΔmω2r2/2kBT=e0.24=1.27. (c) H=kBT/m′g=16µm; contar as esferas em várias alturas dá kB, e daí NA=R/kB. (d) Os íons seguem e∓eφ/kBT em torno de uma carga; linearizado na equação de Poisson isso dá φ′′=φ/λD2: o potencial fica blindado além de λD.
Exercício 29.11★★★
Planck a partir de Boltzmann. (a) Calcule Z e ⟨E⟩ para os níveis nhν. (b) Os dois limites e seu significado. (c) Multiplique pela densidade de modos 8πν2/c3 (dada) e reencontre a lei de Planck; mostre que a lei de Rayleigh–Jeans é a equipartição aplicada a cada modo. (d) Por que a contagem clássica falha, numa frase?
Solução
Solução de Exercício 29.11.
(a) Z=1/(1−e−x), ⟨E⟩=hν/(ex−1). (b) kBT: equipartição; hνe−hν/kBT: congelado. (c) uν=(8πν2/c3)⟨E⟩; Rayleigh–Jeans dá kBT a cada modo. (d) Um modo não pode ser excitado por menos que um quantum.
Exercício 29.12★★★
Desmagnetização adiabática. A entropia de N spins 1/2 vale S=NkB[ln(2coshx)−xtanhx], x=μB/kBT. (a) Mostre que ela depende só de B/T, com S→NkBln2 para B/T→0 e S→0 para B/T→∞. (b) Um sal a 1K é magnetizado isotermicamente de 0 a 1T: entropia retirada (por spin, com μ=μB). (c) O campo é então reduzido adiabaticamente a 0.01T: temperatura final. (d) O que limita o método, e como a mesma curva em tanh serve de termômetro?
Solução
Solução de Exercício 29.12.
(a) Apenas x=μB/kBT; ln2 e 0. (b) x=0.67: S/NkB=0.51, logo 0.18kB retirados por spin. (c) B/T constante: 10mK. (d) O campo próprio dos spins (militesla) substitui B no fim e limita o resfriamento; medir M=nμtanh(μB/kBT) dá T.
Ludwig Boltzmann (1844–1906), cujo fator e−E/kBT é o tema deste capítulo, e cuja fórmula S=kBlnΩ está gravada em seu túmulo em Viena.
29.7 Problema: a atmosfera isotérmica, o escape do hélio e um termômetro de spins
Problema 29.1
Problema de fim de semana — três usos de uma mesma exponencial
A partir da hidrostática e da lei dos gases perfeitos, deduza P(z)=P0e−z/H e dê H para o ar a 288K.
Identifique o fator de Boltzmann no resultado; que energia, que temperatura?
Pressão a 3000m, 5500m e 8849m; a altitude em que a pressão cai à metade.
Massa da atmosfera por metro quadrado (a partir de P0=1.013×105Pa), e a massa total; verifique que ∫0∞ρdz=ρ0H.
Número de moléculas na atmosfera.
Se cada gás seguisse seu próprio H, qual seria a razão O2/N2 a 50km em relação ao solo? Por que a composição é de fato uniforme até 100km?
A troposfera real esfria a 6.5K/km: a pressão a 10km é maior ou menor que a estimativa isotérmica? Explique.
Densidade numérica ao nível do mar e a 100km (modelo isotérmico, 288K): comente a “borda do espaço”.
Parte II — O escape do hélio. A exosfera, acima de 500km, está a cerca de 1000K e é sem colisões: uma molécula que sobe mais depressa que a velocidade de escape vai embora.
Velocidade de escape da Terra nessa altitude.
Velocidades mais provável e média do hélio e do nitrogênio a 1000K.
Fração de átomos de hélio com v>vesc (use (2/π)xe−x2); o mesmo para o nitrogênio.
O fluxo de hélio que escapa vale, grosso modo, 41nHe⟨v⟩× (essa fração) ×21; com nHe=1×1012m−3 na exobase, estime a perda por metro quadrado e por segundo, e por ano para a Terra inteira.
O hélio no ar é de 5ppm em volume: hélio total na atmosfera; seu tempo de residência frente à perda calculada.
A radioatividade na crosta produz cerca de 3×106kg de hélio por ano: o hélio da atmosfera está em regime estacionário, e o que a comparação com a questão 11 ensina?
No máximo solar a exosfera chega a 2000K: por que fator aumenta a fração de escape do hélio?
Por que a Lua não tem atmosfera, e Titã (escape de 2.6km/s, 94K) tem uma espessa?
Parte III — Um termômetro de spins. Um sal paramagnético contém n=2×1027m−3 spins 1/2 com μ=μB, num campo B.
Populações dos dois níveis e magnetização M(B,T).
Em B=0.1T: M a 300K, 4K, 0.05K; onde a lei de Curie vale?
Por que M é um termômetro, e em que faixa ele é mais sensível? O que se mede na prática?
Energia média e capacidade térmica dos spins (Schottky); temperatura do pico a 0.1T.
Entropia dos spins a alta temperatura e a temperatura nula; que “ordenamento” ocorre quando T→0?
Desmagnetização adiabática de 1K, 1T até 0.01T: temperatura final; por que B→0 não pode dar T→0?
Um termômetro de spins nucleares usa μN=μB/1836: a 1T, até que temperatura vale a lei de Curie, e por que esse termômetro é usado na faixa dos microkelvins?
Compare a largura Doppler de uma linha espectral (vinda da distribuição de Maxwell) como termômetro para gases: que grandeza, e como ela varia com T?
Resuma: os três sistemas e a fórmula única.
Solução
Solução de Problema 29.1.
1.dP/dz=−nmg=−(mg/kBT)P; H=8.4km.
2.e−mgz/kBT: a energia potencial de uma molécula, a temperatura do ar.
6.HO2=7.6, HN2=8.7km: a razão a 50km seria e−50/7.6+50/8.7=0.44 do valor no solo; a turbulência mistura mais depressa do que a difusão separa.
7. Menor: o ar mais frio é mais denso e a pressão cai mais depressa.
8.2.5×1025m−3; e−11.9: 1.7×1020m−3 — não há borda, apenas uma convenção.
9.11.26370/6870=10.8km/s.
10. Hélio 2040, 2300m/s; nitrogênio 770, 870m/s.
11.x=5.3: 4×10−12; nitrogênio e−196: nenhum.
12.41×1012×2300×4×10−12×21≈103 átomos por metro quadrado e por segundo; para a Terra inteira e num ano, 2×1025 átomos — 0.1kg.
13.5×10−6×1.1×1044=5.5×1038 átomos, 3.7×1012kg; frente a 0.1kg/yr o tempo de residência seria absurdo.
14. O regime estacionário exige uma perda de 3×106kg/yr: um tempo de residência de cerca de um milhão de anos, que é o valor aceito — logo, a estimativa térmica a 1000K é pequena demais: o escape é dominado por episódios mais quentes e por processos não térmicos (iônicos).
15.x=3.75: e−14 em vez de e−28 — um fator 106: a perda é extraordinariamente sensível à temperatura da exosfera.
16. A Lua é quente e leve: tudo escapa em tempo geológico; Titã é frio, com x=11 para o nitrogênio.
17.p±=e±x/2coshx; M=nμtanhx.
18.x=μB/kBT: 4.2A/m, 310A/m, 1.6×104A/m (saturação 1.9×104A/m); Curie para x≪1, ou seja, T≫70mK.
19.M só depende de T uma vez conhecido B; mais inclinada perto de x≈1, T≈μB/kB=70mK; na prática mede-se a suscetibilidade com uma bobina.
20.⟨E⟩=−NμBtanhx; C=NkBx2/cosh2x, com pico em x=1.2: 56mK.
21.NkBln2 e 0: todos os spins se alinham com o campo.
22.10mK; o campo próprio dos spins, de um militesla, substitui B e fixa o piso.
23.x=1 em μNB/kB=0.37mK: Curie vale até um milikelvin, e o termômetro é útil até microkelvins.
24.Δν/ν=8kBTln2/mc2∝T: a largura de uma linha mede a temperatura do gás.
25. Atmosfera, gás que escapa, spins: e−E/kBT com E=mgz, 21mv2, ∓μB.