Physics · Livro 4 · Bachelor Year 2

Física universitária — 2.º ano

Física universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2

29O fator de Boltzmann

Suba uma montanha e o ar rareia: a três mil metros a pressão caiu para 0.7bar0.7\,\mathrm{bar}, 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, nemgz/kBTn \propto \eu^{-mgz/k_BT} — a razão entre a energia potencial de uma molécula e kBTk_BT 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  a cada 8\, km — o fator de Boltzmann da energia potencial de uma molécula na gravidade da Terra.
Vista de um cume, a bruma da baixa atmosfera e o azul profundo acima: a densidade do ar cai por um fator e\eu a cada 8km8\,\mathrm{km} — 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 mm) a temperatura uniforme TT na gravidade uniforme gg, a pressão e a densidade numérica caem exponencialmente com a altitude:

P(z)=P0ez/H,n(z)=n0emgz/kBT,H=kBTmg,P(z) = P_0\,\eu^{-z/H}, \qquad n(z) = n_0\,\eu^{-mgz/k_BT}, \qquad H = \frac{k_BT}{mg} ,

com a altura de escala H8.4kmH \approx 8.4\,\mathrm{km} para o ar a 288K288\,\mathrm{K}. O expoente é a razão entre a energia potencial mgzmgz de uma molécula e a energia térmica kBTk_BT.

Demonstração. Hidrostática,  ⁣dP/ ⁣dz=ρg=nmg\dd P/\dd z = -\rho g = -nmg, e a lei dos gases perfeitos P=nkBTP = nk_BT:  ⁣dP/ ⁣dz=(mg/kBT)P\dd P/\dd z = -(mg/k_BT)P, uma exponencial. A atmosfera real esfria com a altitude (cerca de 6.5K/km6.5\,\mathrm{K}/\mathrm{km} nos dez primeiros quilômetros), o que torna a queda um pouco mais rápida; o modelo isotérmico é bom a 20%20\%.

A atmosfera isotérmica: a pressão e a densidade caem de 1/ a cada altura de escala H = k_BT/mg; um gás mais leve teria um H maior — mas abaixo de 100\, km a turbulência mantém o ar misturado, e todos os gases partilham o H médio.
A atmosfera isotérmica: a pressão e a densidade caem de 1/e1/\eu a cada altura de escala H=kBT/mgH = k_BT/mg; um gás mais leve teria um HH maior — mas abaixo de 100km100\,\mathrm{km} a turbulência mantém o ar misturado, e todos os gases partilham o HH médio.

29.2 O fator de Boltzmann

Teorema 29.2 (Fator de Boltzmann)

Um sistema em equilíbrio térmico com um termostato à temperatura TT é encontrado num dado estado microscópico de energia EE com probabilidade proporcional a

eE/kBT.\eu^{-E/k_BT} .

Daí, para um conjunto de estados discretos de energias EiE_i,

pi=eEi/kBTZ,Z=ieEi/kBT,p_i = \frac{\eu^{-E_i/k_BT}}{Z}, \qquad Z = \sum_i\eu^{-E_i/k_BT} ,

sendo a soma ZZ (a função de partição) a que normaliza as probabilidades; dois estados (ou dois níveis de mesma degenerescência) são povoados na razão N2/N1=e(E2E1)/kBTN_2/N_1 = \eu^{-(E_2 - E_1)/k_BT}; e, para uma variável contínua (uma posição, uma velocidade), a densidade de probabilidade é proporcional a eE/kBT\eu^{-E/k_BT} nessa variável. A 300K300\,\mathrm{K}, kBT=4.1×1021J=0.026eVk_BT = 4.1 \times 10^{-21}\,\mathrm{J} = 0.026\,\mathrm{eV}: 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 mgzmgz; admitimos sua generalidade, mas eis o argumento (tornado rigoroso no volume do terceiro ano). O termostato RR é grande; quando nosso pequeno sistema está num estado de energia EE, o termostato tem a energia EtotEE_{\text{tot}} - E, e pode estar em ΩR(EtotE)\Omega_R(E_{\text{tot}} - E) estados microscópicos, todos igualmente prováveis (o postulado fundamental para um todo isolado). Logo p(E)ΩR(EtotE)p(E) \propto \Omega_R(E_{\text{tot}} - E). Com a definição de Boltzmann da entropia, SR=kBlnΩRS_R = k_B\ln\Omega_R, e 1/T= ⁣dSR/ ⁣dER1/T = \dd S_R/\dd E_R para o termostato, lnΩR(EtotE)lnΩR(Etot)E/kBT\ln\Omega_R(E_{\text{tot}} - E) \approx \ln\Omega_R(E_{\text{tot}}) - E/k_BT, já que EEtotE \ll E_{\text{tot}}; exponencie.

Exemplo 29.3 (Populações de níveis atômicos)

O primeiro nível excitado do hidrogênio fica 10.2eV10.2\,\mathrm{eV} acima do estado fundamental: a 300K300\,\mathrm{K}, e395\eu^{-395} — nenhum átomo no universo; a 6000K6000\,\mathrm{K}, a superfície do Sol, e19.73×109\eu^{-19.7} \approx 3 \times 10^{-9} (vezes uma degenerescência de 44): o bastante, na enorme coluna de gás do Sol, para as linhas de absorção de Balmer, que são mais fortes em estrelas perto de 10000K10\,000\,\mathrm{K}. A linha D do sódio (2.1eV2.1\,\mathrm{eV}) numa chama a 2500K2500\,\mathrm{K}: e9.8=6×105\eu^{-9.8} = 6 \times 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\beta = 1/k_BT,

E=ipiEi=lnZβ,C= ⁣dE ⁣dT.\langle E\rangle = \sum_ip_iE_i = -\frac{\partial\ln Z}{\partial\beta}, \qquad C = \frac{\dd\langle E\rangle}{\dd T} .

Demonstração. βZ=EieβEi\partial_\beta Z = -\sum E_i\eu^{-\beta E_i}, divida por ZZ.

Proposição 29.5 (Sistema de dois níveis)

NN sistemas independentes com dois níveis 00 e ε\varepsilon (spins num campo, átomos com um nível excitado, defeitos com duas posições):

N2N=1eε/kBT+1,E=Nεeε/kBT+1,C=NkBx2ex(ex+1)2,x=εkBT.\frac{N_2}{N} = \frac{1}{\eu^{\varepsilon/k_BT} + 1}, \qquad \langle E\rangle = \frac{N\varepsilon}{\eu^{\varepsilon/k_BT} + 1}, \qquad C = Nk_B\,\frac{x^2\eu^x}{(\eu^x + 1)^2}, \quad x = \frac{\varepsilon}{k_BT} .

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 0.44NkB0.44\,Nk_B perto de kBT=0.42εk_BT = 0.42 \varepsilon — a anomalia de Schottky, a assinatura de um intervalo no espectro.

Demonstração. Z=1+exZ = 1 + \eu^{-x}; p2=ex/(1+ex)p_2 = \eu^{-x}/(1 + \eu^{-x}); derive E\langle E\rangle em relação a TT.

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 k_BT iguala o intervalo.
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 kBTk_BT iguala o intervalo.

Proposição 29.6 (O oscilador quântico e a fórmula de Planck)

Um oscilador harmônico de frequência ν\nu tem os níveis En=nhνE_n = nh\nu (a menos de uma constante); à temperatura TT,

Z=11ehν/kBT,E=hνehν/kBT1  {kBT(hνkBT),hνehν/kBT(hνkBT).Z = \frac{1}{1 - \eu^{-h\nu/k_BT}}, \qquad \langle E\rangle = \frac{h\nu}{\eu^{h\nu/k_BT} - 1} \ \longrightarrow\ \begin{cases} k_BT & (h\nu \ll k_BT), \\ h\nu\,\eu^{-h\nu/k_BT} & (h\nu \gg k_BT). \end{cases}

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 kBTk_BT clássico, a baixa temperatura um modo congelado.

Demonstração. Série geométrica, depois βlnZ-\partial_\beta\ln Z.

Exemplo 29.7 (Capacidade térmica dos sólidos)

Trate cada átomo de um sólido como três osciladores de mesma frequência ν\nu (Einstein, 1907): C=3NkBx2ex/(ex1)2C = 3Nk_B\,x^2\eu^x/(\eu^x - 1)^2 com x=hν/kBTx = h\nu/k_BT. Acima de θE=hν/kB\theta_{\text{E}} = h\nu/k_B, C3NkB=3RC \to 3Nk_B = 3R por mol — a lei de Dulong e Petit (25J/mol/K25\,\mathrm{J}/\mathrm{mol}/\mathrm{K}), obedecida pelo chumbo, pelo cobre e pelo ferro à temperatura ambiente; muito abaixo dela, CC desaba. O diamante (θE1300K\theta_{\text{E}} \approx 1300\,\mathrm{K}) tem apenas 6J/mol/K6\,\mathrm{J}/\mathrm{mol}/\mathrm{K} a 300K300\,\mathrm{K}, 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 qq que entra quadraticamente na energia, E=aq2+E = aq^2 + \dots, e que percorre todos os valores reais contribui com 12kBT\tfrac12k_BT para a energia média em equilíbrio:

aq2=12kBT.\langle aq^2\rangle = \tfrac12k_BT .

Um gás monoatômico (três translações) tem U=32NkBTU = \tfrac32Nk_BT e CV=32RC_V = \tfrac32R por mol; um gás diatômico acrescenta duas rotações, CV=52RC_V = \tfrac52R, e sua vibração (dois termos quadráticos, mas quantizada com hνkBTh\nu \gg k_BT à temperatura ambiente) fica congelada até alguns milhares de kelvins.

Demonstração. A densidade de probabilidade em qq é eaq2/kBT\propto\eu^{-aq^2/k_BT}, uma gaussiana:

aq2=aq2eaq2/kBT ⁣dqeaq2/kBT ⁣dq=12kBT\langle aq^2\rangle = \frac{\int aq^2\,\eu^{-aq^2/k_BT}\,\dd q}{\int\eu^{-aq^2/k_BT}\,\dd q} = \tfrac12k_BT

(derive eλq2 ⁣dq=π/λ\int\eu^{-\lambda q^2}\dd q = \sqrt{\pi/\lambda} em relação a λ\lambda). O resultado exige o contínuo: quando os níveis estão espaçados de mais que kBTk_BT o fator congela a variável, como para o oscilador acima.

Teorema 29.9 (Distribuição de velocidades de Maxwell)

Num gás a TT, as componentes da velocidade são gaussianas independentes de variância kBT/mk_BT/m, e o módulo da velocidade v=vv = |\vect v| tem a densidade de probabilidade

f(v)=4π(m2πkBT)3/2v2emv2/2kBT,f(v) = 4\pi\Big(\frac{m}{2\pi k_BT}\Big)^{3/2}v^2\,\eu^{-mv^2/2k_BT} ,

com as velocidades mais provável, média e quadrática média

vp=2kBTm,v=8kBTπm,vrms=3kBTm,v_{\text{p}} = \sqrt{\frac{2k_BT}{m}}, \qquad \langle v\rangle = \sqrt{\frac{8k_BT}{\pi m}}, \qquad v_{\text{rms}} = \sqrt{\frac{3k_BT}{m}} ,

nas razões 1:1.13:1.221 : 1.13 : 1.22. Para o nitrogênio a 300K300\,\mathrm{K}: 422422\,, 476476\,, 517m/s517\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; para o hidrogênio, 3.73.7 vezes mais; a cauda da distribuição, emv2/2kBT\propto\eu^{-mv^2/2k_BT}, é o que permite às moléculas mais rápidas evaporar, reagir ou deixar um planeta.

Demonstração. A energia cinética 12m(vx2+vy2+vz2)\tfrac12m(v_x^2 + v_y^2 + v_z^2) dá um fator emvx2/2kBTemvy2/2kBTemvz2/2kBT\eu^{-mv_x^2/2k_BT}\eu^{-mv_y^2/2k_BT}\eu^{-mv_z^2/2k_BT}: três gaussianas independentes, cada uma normalizada por m/2πkBT\sqrt{m/2\pi k_BT}. A distribuição do módulo reúne todas as velocidades na casca de raio vv e volume 4πv2 ⁣dv4\pi v^2\dd v. Depois vpv_{\text{p}} vem de  ⁣df/ ⁣dv=0\dd f/\dd v = 0, e os momentos de 0v3eav2 ⁣dv=1/2a2\int_0^\infty v^3\eu^{-av^2}\dd v = 1/2a^2, 0v4eav2 ⁣dv=38π/a5\int_0^\infty v^4\eu^{-av^2}\dd v = \tfrac38\sqrt{\pi/a^5}; vrmsv_{\text{rms}} também decorre da equipartição, 12mv2=32kBT\tfrac12m\langle v^2\rangle = \tfrac32k_BT.

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.
A distribuição de velocidades de Maxwell para o nitrogênio a três temperaturas: o pico se desloca como T\sqrt 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/s11.2\,\mathrm{km}/\mathrm{s}. Na exosfera, perto de 1000K1000\,\mathrm{K}, o hélio tem vp=2.0km/sv_{\text{p}} = 2.0\,\mathrm{km}/\mathrm{s}: a fração de átomos acima da velocidade de escape é da ordem de e(11.2/2.0)2=e311013\eu^{-(11.2/2.0)^2} = \eu^{-31} \approx 10^{-13} — pequena, mas renovada a cada colisão durante bilhões de anos: o hélio vaza, e sua abundância no ar é de apenas 5ppm5\,\mathrm{ppm}, apesar de sua produção constante por decaimento radioativo. Para o nitrogênio o expoente é sete vezes maior, e220\eu^{-220}: o nitrogênio fica. Na Lua (vesc=2.4km/sv_{\text{esc}} = 2.4\,\mathrm{km}/\mathrm{s}) até o nitrogênio a 400K400\,\mathrm{K} (vp=490m/sv_{\text{p}} = 490\,\mathrm{m}/\mathrm{s}) tem e24\eu^{-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)

NN momentos magnéticos independentes que só podem apontar a favor ou contra o campo BB, com energias μB\mp\mu B, têm à temperatura TT o momento médio e a magnetização

μz=μtanhμBkBT,M=nμtanhμBkBT  {nμ2B/kBT(μBkBT): lei de Curie,nμ(μBkBT): saturac¸a˜o.\langle\mu_z\rangle = \mu\tanh\frac{\mu B}{k_BT}, \qquad M = n\mu\tanh\frac{\mu B}{k_BT} \ \longrightarrow\ \begin{cases} n\mu^2B/k_BT & (\mu B \ll k_BT):\ \text{lei de Curie}, \\ n\mu & (\mu B \gg k_BT):\ \text{saturação}. \end{cases}

A suscetibilidade χ=μ0M/B=μ0nμ2/kBT\chi = \mu_0M/B = \mu_0n\mu^2/k_BT varia como 1/T1/T (lei de Curie); com μ=μB=9.27×1024J/T\mu = \mu_B = 9.27 \times 10^{-24}\,\mathrm{J}/\mathrm{T}, μB/kBT=2.2×103\mu B/k_BT = 2.2 \times 10^{-3} a 1T1\,\mathrm{T} e 300K300\,\mathrm{K}, de modo que os paramagnetos comuns mal se magnetizam; a 1K1\,\mathrm{K} o mesmo campo dá 0.670.67 e a saturação começa.

Demonstração. p±e±μB/kBTp_\pm \propto\eu^{\pm\mu B/k_BT}: μz=μ(exex)/(ex+ex)\langle\mu_z\rangle = \mu(\eu^x - \eu^{-x})/(\eu^x + \eu^{-x}) com x=μB/kBTx = \mu B/k_BT; tanhxx\tanh x \approx x para xx pequeno.

Magnetização de um paramagneto de spin 1/2: linear em B/T em campos pequenos (Curie), saturando quando B ultrapassa k_BT — o que só se alcança a um tesla abaixo de um kelvin, o que faz da curva um termômetro para as experiências mais frias.
Magnetização de um paramagneto de spin 1/2: linear em B/TB/T em campos pequenos (Curie), saturando quando μB\mu B ultrapassa kBTk_BT — 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 EaE_{\text{a}} dê taxas eEa/kBT\propto\eu^{-E_{\text{a}}/k_BT}, 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/kBTE/k_BT; kBT=0.026eVk_BT = 0.026\,\mathrm{eV} a 300K300\,\mathrm{K} e 1eV1\,\mathrm{eV} a 11600K11\,600\,\mathrm{K}. (2) Razões de populações: eΔE/kBT\eu^{-\Delta E/k_BT} (vezes as degenerescências). (3) Níveis discretos: ZZ, depois E=βlnZ\langle E\rangle = -\partial_\beta\ln Z, depois CC. (4) Variáveis contínuas quadráticas: 12kBT\tfrac12k_BT cada uma, se não estiverem congeladas. (5) Velocidades: vp=2kBT/mv_{\text{p}} = \sqrt{2k_BT/m} e a cauda gaussiana. (6) Spins: tanh(μB/kBT)\tanh(\mu B/k_BT), o 1/T1/T de Curie.

29.6 Exercícios

Exercício 29.1

Altura de escala do ar a 288K288\,\mathrm{K} (M=29g/molM = 29\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}); pressão a 3000m3000\,\mathrm{m}, a 8849m8849\,\mathrm{m}, a 10km10\,\mathrm{km} (compare com os 0.26bar0.26\,\mathrm{bar} medidos); altura de escala do hélio sozinho; da atmosfera marciana (CO2_2, 210K210\,\mathrm{K}, g=3.7m/s2g = 3.7\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}).

Solução

Solução de Exercício 29.1.

H=kBT/mg=8.4kmH = k_BT/mg = 8.4\,\mathrm{km}; 0.700.70\,, 0.350.35\,, 0.30bar0.30\,\mathrm{bar} (o valor real, 0.260.26\,: o ar esfria com a altura); hélio 61km61\,\mathrm{km}; Marte 10.7km10.7\,\mathrm{km}.

Exercício 29.2

Populações: o nível n=2n = 2 do hidrogênio (10.2eV10.2\,\mathrm{eV}, degenerescência 44 contra 11) a 300K300\,\mathrm{K}, 6000K6000\,\mathrm{K}, 10000K10\,000\,\mathrm{K}; o nível de 2.1eV2.1\,\mathrm{eV} do sódio numa chama a 2500K2500\,\mathrm{K}; um nível de rotação molecular a 1×103eV1 \times 10^{-3}\,\mathrm{eV} a 300K300\,\mathrm{K}; um nível de spin nuclear separado por 1×107eV1 \times 10^{-7}\,\mathrm{eV} num ímã a 300K300\,\mathrm{K}.

Solução

Solução de Exercício 29.2.

Hidrogênio: 4e395101714\eu^{-395} \approx 10^{-171}; 4e19.7=1084\eu^{-19.7} = 10^{-8}; 4e11.8=3×1054\eu^{-11.8} = 3 \times 10^{-5}. Sódio: e9.8=6×105\eu^{-9.8} = 6 \times 10^{-5}. Rotação: e0.04=0.96\eu^{-0.04} = 0.96, quase igual. Spin nuclear: 14×1061 - 4 \times 10^{-6} — a polarização minúscula com que a ressonância magnética trabalha.

Exercício 29.3

Velocidades de Maxwell (vpv_{\text{p}}, v\langle v\rangle, vrmsv_{\text{rms}}) para o N2_2 a 300K300\,\mathrm{K} e a 77K77\,\mathrm{K}, para o H2_2 a 300K300\,\mathrm{K}, e para uma partícula de fumaça de 1×1018kg1 \times 10^{-18}\,\mathrm{kg}. Fração de moléculas mais rápidas que 2vp2v_{\text{p}} (cerca de 4.6%4.6\%) e que 3vp3v_{\text{p}} (cerca de 4×1044 \times 10^{-4}): comente a cauda.

Solução

Solução de Exercício 29.3.

N2_2 a 300K300\,\mathrm{K}: 422422\,, 476476\,, 517m/s517\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; a 77K77\,\mathrm{K}: 214214\,, 241241\,, 262m/s262\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; H2_2: 15801580\,, 17801780\,, 1930m/s1930\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; partícula de fumaça: 9cm/s9\,\mathrm{cm}/\mathrm{s} (seu tremor browniano). Acima de 2vp2v_{\text{p}}, uma molécula em vinte; acima de 3vp3v_{\text{p}}, uma em 25002500 — ainda 102210^{22} por metro cúbico.

Exercício 29.4

Momentos de spin 1/2 com μ=μB\mu = \mu_B, n=1×1028m3n = 1 \times 10^{28}\,\mathrm{m}^{-3}, B=1TB = 1\,\mathrm{T}: x=μB/kBTx = \mu B/k_BT a 300K300\,\mathrm{K} e a 1K1\,\mathrm{K}; M/MsatM/M_{\text{sat}}; MsatM_{\text{sat}}; a suscetibilidade a 300K300\,\mathrm{K}. Compare com a magnetização de saturação do ferro (1.7×106A/m1.7 \times 10^{6}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}).

Solução

Solução de Exercício 29.4.

x=2.2×103x = 2.2 \times 10^{-3} e 0.670.67; M/Msat=2.2×103M/M_{\text{sat}} = 2.2 \times 10^{-3} e 0.590.59; Msat=nμ=9.3×104A/mM_{\text{sat}} = n\mu = 9.3 \times 10^{4}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}; χ=μ0nμ2/kBT=2.6×104\chi = \mu_0n\mu^2/k_BT = 2.6 \times 10^{-4}. Os 1.7×106A/m1.7 \times 10^{6}\,\mathrm{A}/\mathrm{m} do ferro são cooperativos, não um efeito de Boltzmann.

Exercício 29.5 ★★

Dois níveis. (a) Deduza p1p_1, p2p_2, E\langle E\rangle a partir de ZZ. (b) Mostre que N2<N1N_2 < N_1 a toda temperatura positiva; o que significaria N2>N1N_2 > N_1 para TT? (c) Entropia S=NkBpilnpiS = -Nk_B\sum p_i\ln p_i do sistema em T0T \to 0 e TT \to \infty. (d) Um defeito num cristal pode ocupar duas posições separadas por 0.05eV0.05\,\mathrm{eV}: ocupação da superior a 300K300\,\mathrm{K} e a 77K77\,\mathrm{K}.

Solução

Solução de Exercício 29.5.

(a) Proposição 29.5. (b) ex<1\eu^{-x} < 1 para T>0T > 0; N2>N1N_2 > N_1 exigiria T<0T < 0 — uma inversão de população. (c) 00 e NkBln2Nk_B\ln 2. (d) x=1.93x = 1.93: 0.130.13; a 77K77\,\mathrm{K}, x=7.5x = 7.5: 5×1045 \times 10^{-4}.

Exercício 29.6 ★★

Schottky. (a) Deduza C(T)C(T) do sistema de dois níveis. (b) Localize seu máximo numericamente (x=2.40x = 2.40) e seu valor. (c) Limites a baixa e a alta TT, com seu significado físico. (d) Os spins nucleares do cobre em 1T1\,\mathrm{T} têm ε1×107eV\varepsilon \approx 1 \times 10^{-7}\,\mathrm{eV}: 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)N\varepsilon/(\eu^x + 1). (b) x=2.40x = 2.40, C=0.44NkBC = 0.44\,Nk_B. (c) x2ex0\propto x^2\eu^{-x} \to 0: congelado; 1/T20\propto 1/T^2 \to 0: os dois níveis cheios, nada mais a absorver. (d) kBT=0.42εk_BT = 0.42\varepsilon: 0.5mK0.5\,\mathrm{mK}; 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\langle aq^2\rangle = k_BT/2 com a integral gaussiana. (b) CVC_V de um gás monoatômico e de um gás diatômico rígido. (c) A vibração do nitrogênio tem hν/kB=3400Kh\nu/k_B = 3400\,\mathrm{K}: usando a energia média do oscilador, CVC_V a 300K300\,\mathrm{K}, 1000K1000\,\mathrm{K}, 3000K3000\,\mathrm{K}. (d) Sólido de Einstein: CC em T=θET = \theta_{\text{E}}, θE/4\theta_{\text{E}}/4, 4θE4\theta_{\text{E}} em unidades de 3R3R; o diamante à temperatura ambiente.

Solução

Solução de Exercício 29.7.

(a) Teorema 29.8. (b) 32R\tfrac32R, 52R\tfrac52R. (c) Cvib/R=x2ex/(ex1)2C_{\text{vib}}/R = x^2\eu^x/(\eu^x - 1)^2: 0.0020.002, 0.410.41, 0.900.90; CV=2.50RC_V = 2.50R, 2.91R2.91R, 3.40R3.40R. (d) 0.920.92, 0.300.30, 0.9950.995; diamante x=4.3x = 4.3: 0.26×3R=6.5J/mol/K0.26 \times 3R = 6.5\,\mathrm{J}/\mathrm{mol}/\mathrm{K}.

Exercício 29.8 ★★

Maxwell em detalhe. (a) Mostre que as componentes da velocidade são gaussianas independentes e deduza f(v)f(v). (b) Calcule vpv_{\text{p}}, v\langle v\rangle, vrmsv_{\text{rms}}. (c) Energia cinética média: confira com a equipartição. (d) O fluxo de moléculas que atingem uma parede vale 14nv\tfrac14n\langle v\rangle por unidade de área e de tempo (admitido): número de moléculas de N2_2 que atingem 1cm21\,\mathrm{cm}^{2} por segundo a 1bar1\,\mathrm{bar} e 300K300\,\mathrm{K}; e a taxa com que um furo de 1µm1\,\text{µ}\mathrm{m} deixa entrar ar numa câmara de vácuo (efusão).

Solução

Solução de Exercício 29.8.

(a), (b) Teorema 29.9. (c) 32kBT\tfrac32k_BT. (d) 14nv=2.9×1027m2s1\tfrac14n\langle v\rangle = 2.9 \times 10^{27}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}: 3×10233 \times 10^{23} por centímetro quadrado por segundo; através de 7.9×1013m27.9 \times 10^{-13}\,\mathrm{m}^{2}: 2.3×10152.3 \times 10^{15} moléculas por segundo, um vazamento de 1×105Pam3/s1 \times 10^{-5}\,\mathrm{Pa}\,\mathrm{m}^{3}/\mathrm{s}.

Exercício 29.9 ★★

Escape. (a) Fração de um gás de Maxwell mais rápida que vv: mostre que ela vale aproximadamente (2/π)xex2(2/\sqrt\pi)\,x\,\eu^{-x^2} para x=v/vp1x = v/v_{\text{p}} \gg 1. (b) Hélio a 1000K1000\,\mathrm{K} acima de 11.2km/s11.2\,\mathrm{km}/\mathrm{s}; nitrogênio. (c) Lua, vesc=2.4km/sv_{\text{esc}} = 2.4\,\mathrm{km}/\mathrm{s}, 400K400\,\mathrm{K}: nitrogênio, e que temperatura o reteria pela idade do sistema solar (tome 101710^{17} tempos de colisão: fração de escape abaixo de 101710^{-17}). (d) Por que Titã (2.6km/s2.6\,\mathrm{km}/\mathrm{s}, 94K94\,\mathrm{K}) guarda uma atmosfera espessa de nitrogênio?

Solução

Solução de Exercício 29.9.

(a) Integre ff por partes; o termo dominante é (2/π)xex2(2/\sqrt\pi)x\eu^{-x^2}. (b) Hélio x=5.5x = 5.5: 5×10135 \times 10^{-13}; nitrogênio x=14.5x = 14.5: e211\eu^{-211}. (c) x=4.9x = 4.9: 101010^{-10} por tempo de colisão — foi-se; 101710^{-17} exige x6.6x \approx 6.6, T230KT \lesssim 230\,\mathrm{K}. (d) x=11x = 11: e121\eu^{-121}; frio o bastante.

Exercício 29.10 ★★★

Outros potenciais. (a) Numa centrífuga que gira a ω\omega, a energia potencial efetiva vale 12mω2r2-\tfrac12m\omega^2r^2: perfil de densidade n(r)n(r). (b) Hexafluoreto de urânio, dois isótopos com Δm=3u\Delta m = 3\,\mathrm{u}, ω=2π×1000Hz\omega = 2\pi \times 1000\,\mathrm{Hz}, r=10cmr = 10\,\mathrm{cm}, 300K300\,\mathrm{K}: fator de enriquecimento de um estágio. (c) Esferas coloidais (massa aparente m=2.6×1017kgm' = 2.6 \times 10^{-17}\,\mathrm{kg}) em água a 293K293\,\mathrm{K}: altura de escala de seu equilíbrio de sedimentação; como isso deu o número de Avogadro? (d) Um gás de elétrons num campo EE: por que o perfil de Boltzmann eeEx/kBT\eu^{eEx/k_BT} é a base do comprimento de blindagem de Debye λD=ε0kBT/ne2\lambda_{\text{D}} = \sqrt{\varepsilon_0k_BT/ne^2} de um plasma (esboce o argumento)?

Solução

Solução de Exercício 29.10.

(a) n=n0emω2r2/2kBTn = n_0\eu^{m\omega^2r^2/2k_BT}. (b) eΔmω2r2/2kBT=e0.24=1.27\eu^{\Delta m\omega^2r^2/2k_BT} = \eu^{0.24} = 1.27. (c) H=kBT/mg=16µmH = k_BT/m'g = 16\,\text{µ}\mathrm{m}; contar as esferas em várias alturas dá kBk_B, e daí NA=R/kBN_A = R/k_B. (d) Os íons seguem eeφ/kBT\eu^{\mp e\varphi/k_BT} em torno de uma carga; linearizado na equação de Poisson isso dá φ=φ/λD2\varphi'' = \varphi/\lambda_{\text{D}}^2: o potencial fica blindado além de λD\lambda_{\text{D}}.

Exercício 29.11 ★★★

Planck a partir de Boltzmann. (a) Calcule ZZ e E\langle E\rangle para os níveis nhνnh\nu. (b) Os dois limites e seu significado. (c) Multiplique pela densidade de modos 8πν2/c38\pi\nu^2/c^3 (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/(1ex)Z = 1/(1 - \eu^{-x}), E=hν/(ex1)\langle E\rangle = h\nu/(\eu^x - 1). (b) kBTk_BT: equipartição; hνehν/kBTh\nu\eu^{-h\nu/k_BT}: congelado. (c) uν=(8πν2/c3)Eu_\nu = (8\pi\nu^2/c^3)\langle E \rangle; Rayleigh–Jeans dá kBTk_BT a cada modo. (d) Um modo não pode ser excitado por menos que um quantum.

Exercício 29.12 ★★★

Desmagnetização adiabática. A entropia de NN spins 1/2 vale S=NkB[ln(2coshx)xtanhx]S = Nk_B[\ln(2\cosh x) - x\tanh x], x=μB/kBTx = \mu B/k_BT. (a) Mostre que ela depende só de B/TB/T, com SNkBln2S \to Nk_B\ln 2 para B/T0B/T \to 0 e S0S \to 0 para B/TB/T \to \infty. (b) Um sal a 1K1\,\mathrm{K} é magnetizado isotermicamente de 00 a 1T1\,\mathrm{T}: entropia retirada (por spin, com μ=μB\mu = \mu_B). (c) O campo é então reduzido adiabaticamente a 0.01T0.01\,\mathrm{T}: temperatura final. (d) O que limita o método, e como a mesma curva em tanh\tanh serve de termômetro?

Solução

Solução de Exercício 29.12.

(a) Apenas x=μB/kBTx = \mu B/k_BT; ln2\ln 2 e 00. (b) x=0.67x = 0.67: S/NkB=0.51S/Nk_B = 0.51, logo 0.18kB0.18\,k_B retirados por spin. (c) B/TB/T constante: 10mK10\,\mathrm{mK}. (d) O campo próprio dos spins (militesla) substitui BB no fim e limita o resfriamento; medir M=nμtanh(μB/kBT)M = n\mu\tanh(\mu B/k_BT)TT.

Ludwig Boltzmann (1844–1906), cujo fator -E/k_BT é o tema deste capítulo, e cuja fórmula S = k_B está gravada em seu túmulo em Viena.
Ludwig Boltzmann (1844–1906), cujo fator eE/kBT\eu^{-E/k_BT} é o tema deste capítulo, e cuja fórmula S=kBlnΩS = k_B\ln\Omega 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

Dados: kB=1.38×1023J/Kk_B = 1.38 \times 10^{-23}\,\mathrm{J}/\mathrm{K}, NA=6.02×1023mol1N_A = 6.02 \times 10^{23}\,\mathrm{mol}^{-1}, g=9.8m/s2g = 9.8\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}, R=6.37×106mR_{\oplus} = 6.37 \times 10^{6}\,\mathrm{m}, μB=9.27×1024J/T\mu_B = 9.27 \times 10^{-24}\,\mathrm{J}/\mathrm{T}; ar M=29g/molM = 29\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}, hélio 4g/mol4\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}, nitrogênio 28g/mol28\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}.

Parte I — A atmosfera isotérmica.

  1. A partir da hidrostática e da lei dos gases perfeitos, deduza P(z)=P0ez/HP(z) = P_0\eu^{-z/H} e dê HH para o ar a 288K288\,\mathrm{K}.
  2. Identifique o fator de Boltzmann no resultado; que energia, que temperatura?
  3. Pressão a 3000m3000\,\mathrm{m}, 5500m5500\,\mathrm{m} e 8849m8849\,\mathrm{m}; a altitude em que a pressão cai à metade.
  4. Massa da atmosfera por metro quadrado (a partir de P0=1.013×105PaP_0 = 1.013 \times 10^{5}\,\mathrm{Pa}), e a massa total; verifique que 0ρ ⁣dz=ρ0H\int_0^\infty \rho\,\dd z = \rho_0H.
  5. Número de moléculas na atmosfera.
  6. Se cada gás seguisse seu próprio HH, qual seria a razão O2_2/N2_2 a 50km50\,\mathrm{km} em relação ao solo? Por que a composição é de fato uniforme até 100km100\,\mathrm{km}?
  7. A troposfera real esfria a 6.5K/km6.5\,\mathrm{K}/\mathrm{km}: a pressão a 10km10\,\mathrm{km} é maior ou menor que a estimativa isotérmica? Explique.
  8. Densidade numérica ao nível do mar e a 100km100\,\mathrm{km} (modelo isotérmico, 288K288\,\mathrm{K}): comente a “borda do espaço”.

Parte II — O escape do hélio. A exosfera, acima de 500km500\,\mathrm{km}, está a cerca de 1000K1000\,\mathrm{K} e é sem colisões: uma molécula que sobe mais depressa que a velocidade de escape vai embora.

  1. Velocidade de escape da Terra nessa altitude.
  2. Velocidades mais provável e média do hélio e do nitrogênio a 1000K1000\,\mathrm{K}.
  3. Fração de átomos de hélio com v>vescv > v_{\text{esc}} (use (2/π)xex2(2/\sqrt\pi)x\eu^{-x^2}); o mesmo para o nitrogênio.
  4. O fluxo de hélio que escapa vale, grosso modo, 14nHev×\tfrac14n_{\text{He}}\langle v\rangle \times (essa fração) ×12\times\tfrac12; com nHe=1×1012m3n_{\text{He}} = 1 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{-3} na exobase, estime a perda por metro quadrado e por segundo, e por ano para a Terra inteira.
  5. O hélio no ar é de 5ppm5\,\mathrm{ppm} em volume: hélio total na atmosfera; seu tempo de residência frente à perda calculada.
  6. A radioatividade na crosta produz cerca de 3×106kg3 \times 10^{6}\,\mathrm{kg} de hélio por ano: o hélio da atmosfera está em regime estacionário, e o que a comparação com a questão 11 ensina?
  7. No máximo solar a exosfera chega a 2000K2000\,\mathrm{K}: por que fator aumenta a fração de escape do hélio?
  8. Por que a Lua não tem atmosfera, e Titã (escape de 2.6km/s2.6\,\mathrm{km}/\mathrm{s}, 94K94\,\mathrm{K}) tem uma espessa?

Parte III — Um termômetro de spins. Um sal paramagnético contém n=2×1027m3n = 2 \times 10^{27}\,\mathrm{m}^{-3} spins 1/2 com μ=μB\mu = \mu_B, num campo BB.

  1. Populações dos dois níveis e magnetização M(B,T)M(B,T).
  2. Em B=0.1TB = 0.1\,\mathrm{T}: MM a 300K300\,\mathrm{K}, 4K4\,\mathrm{K}, 0.05K0.05\,\mathrm{K}; onde a lei de Curie vale?
  3. Por que MM é um termômetro, e em que faixa ele é mais sensível? O que se mede na prática?
  4. Energia média e capacidade térmica dos spins (Schottky); temperatura do pico a 0.1T0.1\,\mathrm{T}.
  5. Entropia dos spins a alta temperatura e a temperatura nula; que “ordenamento” ocorre quando T0T \to 0?
  6. Desmagnetização adiabática de 1K1\,\mathrm{K}, 1T1\,\mathrm{T} até 0.01T0.01\,\mathrm{T}: temperatura final; por que B0B \to 0 não pode dar T0T \to 0?
  7. Um termômetro de spins nucleares usa μN=μB/1836\mu_{\text{N}} = \mu_B/1836: a 1T1\,\mathrm{T}, até que temperatura vale a lei de Curie, e por que esse termômetro é usado na faixa dos microkelvins?
  8. Compare a largura Doppler de uma linha espectral (vinda da distribuição de Maxwell) como termômetro para gases: que grandeza, e como ela varia com TT?
  9. Resuma: os três sistemas e a fórmula única.
Solução

Solução de Problema 29.1.

1.  ⁣dP/ ⁣dz=nmg=(mg/kBT)P\dd P/\dd z = -nmg = -(mg/k_BT)P; H=8.4kmH = 8.4\,\mathrm{km}.

2. emgz/kBT\eu^{-mgz/k_BT}: a energia potencial de uma molécula, a temperatura do ar.

3. 0.700.70\,, 0.520.52\,, 0.35bar0.35\,\mathrm{bar}; Hln2=5.8kmH\ln 2 = 5.8\,\mathrm{km}.

4. P0/g=1.03×104kg/m2P_0/g = 1.03 \times 10^{4}\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{2}; ×4πR2\times 4\pi R^2: 5.3×1018kg5.3 \times 10^{18}\,\mathrm{kg}; ρ0H=1.22×8400=1.03×104kg/m2\rho_0H = 1.22 \times 8400 = 1.03 \times 10^{4}\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{2}.

5. 5.3×1018/(29×103/NA)=1.1×10445.3 \times 10^{18}/(29 \times 10^{-3}/N_A) = 1.1 \times 10^{44}.

6. HO2=7.6H_{\text{O}_2} = 7.6, HN2=8.7kmH_{\text{N}_2} = 8.7\,\mathrm{km}: a razão a 50km50\,\mathrm{km} seria e50/7.6+50/8.7=0.44\eu^{-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. 2.5×1025m32.5 \times 10^{25}\,\mathrm{m}^{-3}; e11.9\eu^{-11.9}: 1.7×1020m31.7 \times 10^{20}\,\mathrm{m}^{-3} — não há borda, apenas uma convenção.

9. 11.26370/6870=10.8km/s11.2\sqrt{6370/6870} = 10.8\,\mathrm{km}/\mathrm{s}.

10. Hélio 20402040\,, 2300m/s2300\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; nitrogênio 770770\,, 870m/s870\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

11. x=5.3x = 5.3: 4×10124 \times 10^{-12}; nitrogênio e196\eu^{-196}: nenhum.

12. 14×1012×2300×4×1012×12103\tfrac14 \times 10^{12} \times 2300 \times 4 \times 10^{-12} \times \tfrac12 \approx 10^3 átomos por metro quadrado e por segundo; para a Terra inteira e num ano, 2×10252 \times 10^{25} átomos — 0.1kg0.1\,\mathrm{kg}.

13. 5×106×1.1×1044=5.5×10385 \times 10^{-6} \times 1.1 \times 10^{44} = 5.5 \times 10^{38} átomos, 3.7×1012kg3.7 \times 10^{12}\,\mathrm{kg}; frente a 0.1kg/yr0.1\,\mathrm{kg}/\mathrm{yr} o tempo de residência seria absurdo.

14. O regime estacionário exige uma perda de 3×106kg/yr3 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}/\mathrm{yr}: um tempo de residência de cerca de um milhão de anos, que é o valor aceito — logo, a estimativa térmica a 1000K1000\,\mathrm{K} é pequena demais: o escape é dominado por episódios mais quentes e por processos não térmicos (iônicos).

15. x=3.75x = 3.75: e14\eu^{-14} em vez de e28\eu^{-28} — um fator 10610^6: 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=11x = 11 para o nitrogênio.

17. p±=e±x/2coshxp_\pm = \eu^{\pm x}/2\cosh x; M=nμtanhxM = n\mu\tanh x.

18. x=μB/kBTx = \mu B/k_BT: 4.2A/m4.2\,\mathrm{A}/\mathrm{m}, 310A/m310\,\mathrm{A}/\mathrm{m}, 1.6×104A/m1.6 \times 10^{4}\,\mathrm{A}/\mathrm{m} (saturação 1.9×104A/m1.9 \times 10^{4}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}); Curie para x1x \ll 1, ou seja, T70mKT \gg 70\,\mathrm{mK}.

19. MM só depende de TT uma vez conhecido BB; mais inclinada perto de x1x \approx 1, TμB/kB=70mKT \approx \mu B/k_B = 70\,\mathrm{mK}; na prática mede-se a suscetibilidade com uma bobina.

20. E=NμBtanhx\langle E\rangle = -N\mu B\tanh x; C=NkBx2/cosh2xC = Nk_Bx^2/\cosh^2x, com pico em x=1.2x = 1.2: 56mK56\,\mathrm{mK}.

21. NkBln2Nk_B\ln 2 e 00: todos os spins se alinham com o campo.

22. 10mK10\,\mathrm{mK}; o campo próprio dos spins, de um militesla, substitui BB e fixa o piso.

23. x=1x = 1 em μNB/kB=0.37mK\mu_{\text{N}}B/k_B = 0.37\,\mathrm{mK}: Curie vale até um milikelvin, e o termômetro é útil até microkelvins.

24. Δν/ν=8kBTln2/mc2T\Delta\nu/\nu = \sqrt{8k_BT\ln2/mc^2} \propto \sqrt T: a largura de uma linha mede a temperatura do gás.

25. Atmosfera, gás que escapa, spins: eE/kBT\eu^{-E/k_BT} com E=mgzE = mgz, 12mv2\tfrac12mv^2, μB\mp\mu B.