Physics · Livro 5 · Bachelor Year 3

Física universitária — 3.º ano

Física universitária — 3.º ano · Bachelor Year 3

17O ensemble canônico

Os sistemas isolados são uma ficção de teórico: as amostras reais ficam em termostatos, em salas, em oceanos de ar — em contato com um reservatório que não fixa a energia delas, mas a temperatura. O volume do segundo ano encontrou empiricamente a lei resultante: a probabilidade de um estado de energia EE carrega o fator e−E/kBT\eu^{-E/k_{\text{B}}T}. Este capítulo deduz esse fator de Boltzmann em quatro linhas a partir da contagem do Capítulo 16 e depois constrói a máquina que faz da física estatística uma disciplina industrial: a função de partição ZZ, uma única soma da qual a energia, a entropia, a pressão, a capacidade térmica e as flutuações caem todas por derivação. As primeiras vitórias da máquina são recontadas aqui: por que as capacidades térmicas morrem em baixa temperatura (Einstein, 1907 — a primeira teoria quântica da matéria), por que a capacidade térmica do hidrogênio sobe uma escadaria, por que o céu rarefaz exponencialmente — e como Perrin, observando grãos microscópicos assentarem numa gota d’água, contou o número de Avogadro e encerrou o debate sobre a realidade dos átomos.

17.1 A distribuição de Boltzmann, deduzida

Teorema 17.1 (Distribuição canônica)

Um sistema que troca energia com um grande reservatório à temperatura TT ocupa seu microestado ss (de energia EsE_s) com probabilidade

Ps=e−Es/kBTZ,Z=∑se−Es/kBT\mathcal P_s = \frac{\eu^{-E_s/k_{\text{B}}T}}{Z} , \qquad Z = \sum_s \eu^{-E_s/k_{\text{B}}T}

(β=1/kBT\beta = 1/k_{\text{B}}T daqui em diante). O ZZ, a função de partição, normaliza as probabilidades — e acaba por conter toda a termodinâmica do sistema.

Demonstração. O sistema no estado ss deixa ao reservatório a energia E−EsE - E_s: pelo postulado fundamental aplicado ao todo, Ps∝Ωres(E−Es)\mathcal P_s \propto \Omega_{\text{res}}(E - E_s). Expanda a entropia do reservatório, enorme e suave, até primeira ordem: Sres(E−Es)=Sres(E)−Es ∂Sres/∂E=Sres(E)−Es/TS_{\text{res}}(E - E_s) = S_{\text{res}}(E) - E_s\,\partial S_{\text{res}}/\partial E = S_{\text{res}}(E) - E_s/T, pela definição de temperatura. Logo, Ωres∝e−Es/kBT\Omega_{\text{res}} \propto \eu^{-E_s/k_{\text{B}}T}. (As ordens superiores morrem com o tamanho do reservatório.) ∎

Proposição 17.2 (A máquina)

A partir de Z(T,V,N)Z(T, V, N):

⟨E⟩=−∂ln⁡Z∂β,F=−kBTln⁡Z,S=−∂F∂T,P=−∂F∂V,\langle E\rangle = -\frac{\partial\ln Z}{\partial\beta} , \qquad F = -k_{\text{B}}T\ln Z , \qquad S = -\frac{\partial F}{\partial T} , \qquad P = -\frac{\partial F}{\partial V} ,

em que F=⟨E⟩−TSF = \langle E\rangle - TS é a energia livre; e a capacidade térmica é uma flutuação:

C=∂⟨E⟩∂T=⟨E2⟩−⟨E⟩2kBT2.C = \frac{\partial\langle E\rangle}{\partial T} = \frac{\langle E^2\rangle - \langle E\rangle^2} {k_{\text{B}}T^2} .

Para subsistemas independentes e distinguíveis, Z=zNZ = z^N; para NN partículas idênticas numa caixa comum, Z=zN/N!Z = z^N/N!. A TT e VV fixos, o equilíbrio minimiza FF: a natureza troca energia por entropia à taxa de câmbio TT — o princípio isolado mais útil da física da matéria.

Demonstração parcial. −∂βln⁡Z=∑Ese−βEs/Z=⟨E⟩-\partial_\beta\ln Z = \sum E_s\eu^{-\beta E_s}/Z = \langle E\rangle; mais uma derivada dá ⟨E2⟩−⟨E⟩2\langle E^2\rangle - \langle E\rangle^2, e a regra da cadeia converte ∂β\partial_\beta em ∂T\partial_T. As identificações de FF, SS e PP decorrem de comparar  ⁣d(−kBTln⁡Z)\dd(-k_{\text{B}}T\ln Z) com o  ⁣dF=−S ⁣dT−P ⁣dV\dd F = -S\dd T - P\dd V termodinâmico; a fatoração é a exponencial de uma soma. O princípio de mínimo: FsistemaF_{\text{sistema}} decrescer é StotalS_{\text{total}} crescer, pois ΔSres=−ΔEsist/T\Delta S_{\text{res}} = -\Delta E_{\text{sist}}/T. ∎

O cenário canônico: um pequeno sistema tomando energia emprestada de um vasto reservatório. Cada joule emprestado custa ao reservatório 1/T de entropia — daí o desconto exponencial sobre os estados energéticos.
O cenário canônico: um pequeno sistema tomando energia emprestada de um vasto reservatório. Cada joule emprestado custa ao reservatório 1/T1/T de entropia — daí o desconto exponencial sobre os estados energéticos.

17.2 As primeiras vitórias

Exemplo 17.3 (Dois níveis, em duas linhas)

Para os níveis 0,ϵ0, \epsilon: z=1+e−βϵz = 1 + \eu^{-\beta\epsilon}, o que dá ⟨E⟩=Nϵ/(eβϵ+1)\langle E\rangle = N\epsilon/(\eu^{\beta\epsilon} + 1) — o resultado que custou uma página de Stirling à rota microcanônica (Exercício 16.8). O formalismo canônico é o microcanônico com a combinatória pré-digerida; a corcova de Schottky em C(T)C(T) decorre de uma única derivação.

Exemplo 17.4 (O sólido de Einstein e a morte de Dulong–Petit)

Modele um cristal como 3N3N osciladores quânticos de frequência ω\omega (Capítulo 9). Por oscilador,

z=∑ne−βℏω(n+1/2)=12sinh⁡(βℏω/2),⟨E⟩=ℏω2+ℏωeβℏω−1.z = \sum_n\eu^{-\beta\hbar\omega(n + 1/2)} = \frac{1}{2\sinh(\beta\hbar\omega/2)} , \qquad \langle E\rangle = \frac{\hbar\omega}{2} + \frac{\hbar\omega}{\eu^{\beta\hbar\omega} - 1} .

Em TT alto: ⟨E⟩→kBT\langle E\rangle \to k_{\text{B}}T por oscilador e C→3NkBC \to 3Nk_{\text{B}} — a lei de Dulong–Petit do volume do primeiro ano, explicada. Em TT baixo, o quantum ℏω\hbar\omega fica inacessível e CC desaba exponencialmente — como se mede, e inexplicável classicamente. A curva de Einstein de 1907, com um parâmetro por elemento, foi a primeira aplicação dos quanta à matéria comum; o diamante, de ligações duras e átomos leves (ℏω/kB≈1300 K\hbar\omega/k_{\text{B}} \approx 1300\,\mathrm{K}), ainda está “congelado” à temperatura ambiente — a anomalia que intrigara os químicos por oitenta anos (Exercício 17.6).

À esquerda: a curva de capacidade térmica de Einstein — a equipartição clássica recuperada em T alto, e o congelamento quântico abaixo de _ E = /k_ B. À direita: o C_V do gás hidrogênio sobe uma escadaria à medida que a rotação (perto de 85\, K) e depois a vibração (perto de 6000\, K, fora de escala) descongelam: cada movimento só entra na equipartição quando o k_ BT pode pagar o quantum dele.
À esquerda: a curva de capacidade térmica de Einstein — a equipartição clássica recuperada em TT alto, e o congelamento quântico abaixo de θE=ℏω/kB\theta_{\text{E}} = \hbar\omega/k_{\text{B}}. À direita: o CVC_V do gás hidrogênio sobe uma escadaria à medida que a rotação (perto de 85 K85\,\mathrm{K}) e depois a vibração (perto de 6000 K6000\,\mathrm{K}, fora de escala) descongelam: cada movimento só entra na equipartição quando o kBTk_{\text{B}}T pode pagar o quantum dele.

Teorema 17.5 (A equipartição, com sua licença)

Toda coordenada ou momento que entre quadraticamente na energia contribui, no regime clássico (de alta temperatura), com

⟨ϵ⟩=12kBT\langle\epsilon\rangle = \tfrac12 k_{\text{B}}T

para a energia média: 32kBT\tfrac32 k_{\text{B}}T para um átomo de gás monoatômico, 52\tfrac52 para uma diatômica que gira, 3kBT3k_{\text{B}}T para um oscilador. A licença expira quando o kBTk_{\text{B}}T cai abaixo do espaçamento de níveis do modo: o modo congela e sua contribuição some — a solução dos escândalos das capacidades térmicas do século XIX, desenhada como a escadaria acima.

Demonstração parcial. Para ϵ=ax2\epsilon = ax^2,

⟨ϵ⟩=∫ax2 e−βax2 ⁣dx∫e−βax2 ⁣dx=−∂βln⁡ ⁣∫e−βax2 ⁣dx=−∂βln⁡β−1/2=12β.\langle\epsilon\rangle = \frac{\int ax^2\,\eu^{-\beta ax^2}\dd x} {\int\eu^{-\beta ax^2}\dd x} = -\partial_\beta\ln\!\int\eu^{-\beta ax^2}\dd x = -\partial_\beta\ln\beta^{-1/2} = \frac{1}{2\beta} .

O congelamento é o cálculo do Exemplo 17.4, modo a modo. ∎

Exemplo 17.6 (O gás, canonicamente)

Um átomo numa caixa: z=V/λT3z = V/\lambda_T^3 (a contagem de estados da Proposição 7.5 ponderada por Boltzmann); com NN átomos idênticos: Z=zN/N!Z = z^N/N!. Então F=−NkBT[ln⁡(V/NλT3)+1]F = -Nk_{\text{B}}T[\ln(V/N\lambda_T^3) + 1], e a derivação entrega PV=NkBTPV = Nk_{\text{B}}T, a entropia de Sackur–Tetrode e ⟨E⟩=32NkBT\langle E\rangle = \tfrac32 Nk_{\text{B}}T — o gás ideal inteiro, a partir de uma só integral gaussiana. O fator de Boltzmann aplicado à energia cinética de uma molécula dá a distribuição de velocidades de Maxwell do volume do primeiro ano, agora deduzida; aplicado à energia potencial mghmgh, dá a atmosfera exponencial — e, numa gota d’água, a escada de grãos de Perrin (Problema 17.1).

Método 17.7 (Ofício canônico)

(1) Liste os estados e as energias de uma unidade; calcule zz. (2) Fatore: Z=zNZ = z^N (ou zN/N!z^N/N! para partículas idênticas que compartilham o espaço); tome o ln⁡\ln cedo. (3) Derive: em β\beta para a energia, em TT para a entropia via FF, em VV para a pressão; uma segunda derivada para CC e para as flutuações. (4) Confira as duas pontas: o TT alto tem de reproduzir a equipartição, e o TT baixo tem de congelar com uma cauda e−Δ/kBT\eu^{-\Delta/k_{\text{B}}T}. (5) Competições (enovelamento, ligação, alinhamento): escreva F=E−TSF = E - TS para cada alternativa e deixe vencer a menor — a transição fica em T≈ΔE/ΔST \approx \Delta E/\Delta S.

17.3 Exercícios

Exercício 17.1 ★

(a) Escreva a razão de populações de dois níveis separados por ϵ\epsilon à temperatura TT. (b) Numa chama a 2500 K2500\,\mathrm{K}, que fração dos átomos de sódio fica no estado excitado de 2.1 eV2.1\,\mathrm{eV} da linha D (degenerescência 2 no fundamental e 6 no excitado: razão de populações 3e−βϵ3\eu^{-\beta\epsilon})? (c) Por que a chama, ainda assim, arde em amarelo (quantos átomos por cm3^3 bastam)? (d) A que temperatura a fração excitada chegaria a 10%10\%?

Solução

Solução de Exercício 17.1.

(a) P2/P1=(g2/g1)e−βϵ\mathcal P_2/\mathcal P_1 = (g_2/g_1)\eu^{-\beta\epsilon}. (b) βϵ=2.1/(8.62×10−5×2500)=9.7\beta\epsilon = 2.1/(8.62\times10^{-5} \times 2500) = 9.7: fração 3e−9.7≈2×10−43\eu^{-9.7} \approx 2 \times 10^{-4}. (c) Uma chama carrega ∼1015\sim10^{15} átomos de sódio por cm3^3: mesmo 10−410^{-4} deles, reciclando a cada poucos nanossegundos, despejam 101910^{19} fótons amarelos por segundo — ofuscante. (d) 3e−βϵ=0.13\eu^{-\beta\epsilon} = 0.1: T=ϵ/(kBln⁡30)≈7200 KT = \epsilon/(k_{\text{B}}\ln30) \approx 7200\,\mathrm{K} — uma fotosfera estelar, não uma chama.

Exercício 17.2 ★

Um sistema de três níveis: 0,ϵ,2ϵ0, \epsilon, 2\epsilon. (a) Escreva zz. (b) Calcule ⟨E⟩\langle E\rangle e confira os dois limites de temperatura. (c) A que TT o nível do meio fica maximamente povoado em termos absolutos? (d) Mostre que temperatura alguma, por mais alta, torna um nível superior mais povoado que um inferior — que conceito do capítulo 16 seria necessário para isso?

Solução

Solução de Exercício 17.2.

(a) z=1+e−βϵ+e−2βϵz = 1 + \eu^{-\beta\epsilon} + \eu^{-2\beta\epsilon}. (b) ⟨E⟩=ϵ(e−βϵ+2e−2βϵ)/z\langle E\rangle = \epsilon(\eu^{-\beta\epsilon} + 2\eu^{-2\beta\epsilon})/z: →0\to 0 em TT baixo, →ϵ\to \epsilon (o nível médio) em temperatura alta. (c) P1=1/(eβϵ+1+e−βϵ)\mathcal P_1 = 1/(\eu^{\beta \epsilon} + 1 + \eu^{-\beta\epsilon}) cresce monotonamente com TT, aproximando-se do seu supremo 1/31/3 apenas quando T→∞T \to \infty. (d) Os pesos de Boltzmann só decrescem com a energia em T>0T > 0; uma inversão de população exige as temperaturas negativas do Exemplo 16.8, inatingíveis por reservatório algum.

Exercício 17.3 ★

A atmosfera isotérmica. (a) Aplique o fator de Boltzmann à energia potencial mghmgh e deduza n(h)=n0e−mgh/kBTn(h) = n_0\eu^{-mgh/k_{\text{B}} T}. (b) Calcule a altura de escala do ar (m=4.8×10−26 kgm = 4.8 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}) a 288 K288\,\mathrm{K}. (c) A pressão no cume do Everest como fração da do nível do mar. (d) Por que o decaimento da atmosfera real é próximo, mas não exatamente exponencial (o que mantivemos constante e não é)?

Solução

Solução de Exercício 17.3.

(a) O fator de Boltzmann sobre Ep=mghE_p = mgh a TT uniforme. (b) h0=kBT/mg=8.4 kmh_0 = k_{\text{B}}T/mg = 8.4\,\mathrm{km}. (c) e−8848/8440≈0.35\eu^{-8848/8440} \approx 0.35: um terço de uma atmosfera — e por isso os alpinistas levam oxigênio. (d) A atmosfera real não é isotérmica: a temperatura cai com a altura, e por isso o perfil se afasta de uma única exponencial.

Exercício 17.4 ★

Contabilidade da equipartição. Conte os termos quadráticos e preveja o CVC_V molar (a) do argônio; (b) do N2_2 à temperatura ambiente (rotação ligada, vibração congelada); (c) do N2_2 a 3000 K3000\,\mathrm{K}; (d) de um sólido cristalino (Dulong–Petit). Onde os valores medidos 12.512.5, 20.820.8, ≈26\approx26 e ≈25 J/(mol K)\approx25\,\mathrm{J}/(\mathrm{mol}\,\mathrm{K}) concordam, e o que cada discrepância ensina?

Solução

Solução de Exercício 17.4.

(a) Três translações: 32R=12.5 J/(mol K)\tfrac32 R = 12.5\,\mathrm{J}/(\mathrm{mol}\,\mathrm{K}), exatamente de acordo. (b) Some duas rotações: 52R=20.8 J/(mol K)\tfrac52 R = 20.8\,\mathrm{J}/(\mathrm{mol}\,\mathrm{K}), como se mede: a vibração está congelada. (c) Previsão de 72R=29.1 J/(mol K)\tfrac72 R = 29.1\,\mathrm{J}/(\mathrm{mol}\,\mathrm{K}); o valor medido ≈26\approx26 mostra a vibração apenas em parte descongelada (θvib≈3400 K\theta_{\text{vib}} \approx 3400\,\mathrm{K}). (d) 3R=24.9 J/(mol K)3R = 24.9\,\mathrm{J}/(\mathrm{mol}\,\mathrm{K}): Dulong–Petit, obedecida à temperatura ambiente pela maioria dos metais e desobedecida pelo diamante — a história do congelamento do Exercício 17.6.

Exercício 17.5 ★★

O oscilador quântico, canonicamente. (a) Some a série geométrica de zz. (b) Deduza ⟨E⟩\langle E\rangle e identifique ⟨n⟩=1/(eβℏω−1)\langle n\rangle = 1/(\eu^{\beta\hbar\omega} - 1) — o resultado do Exercício 9.6, agora sem esforço. (c) Derive para obter C(T)C(T) e verifique os dois limites. (d) Por que a forma de ⟨n⟩\langle n\rangle está prestes a ficar famosa (Capítulo 20)?

Solução

Solução de Exercício 17.5.

(a) z=e−βℏω/2/(1−e−βℏω)z = \eu^{-\beta\hbar\omega/2}/(1 - \eu^{-\beta\hbar\omega}). (b) ⟨E⟩=−∂βln⁡z\langle E\rangle = -\partial_\beta\ln z dá a forma enunciada, com ⟨n⟩=1/(eβℏω−1)\langle n\rangle = 1/(\eu^{\beta\hbar\omega} - 1). (c) C→kBC \to k_{\text{B}} em TT alto; C≈kB(βℏω)2e−βℏω→0C \approx k_{\text{B}}(\beta \hbar\omega)^2\eu^{-\beta\hbar\omega} \to 0 em temperatura baixa. (d) Sendo ℏω\hbar\omega a energia de um quantum de luz, ⟨n⟩\langle n\rangle é o número térmico de fótons por modo: a lei de Planck está a um capítulo de distância.

Exercício 17.6 ★★

Einstein contra os dados. (a) Pela fórmula da figura, em que T/θET/\theta_{\text{E}} o CC caiu à metade do valor de Dulong–Petit? (b) Diamante: θE≈1300 K\theta_{\text{E}} \approx 1300\,\mathrm{K} — calcule C/3NkBC/3Nk_{\text{B}} a 300 K300\,\mathrm{K} e explique a “anomalia do diamante” do século XIX. (c) Chumbo: θE≈90 K\theta_{\text{E}} \approx 90\,\mathrm{K} — por que o chumbo sempre foi “bem-comportado”? (d) As medidas em TT muito baixo mostram C∝T3C \propto T^3, e não exponencial: qual das hipóteses de Einstein falha (todos os osciladores com uma só frequência), e quem a consertou (Capítulo 20)?

Solução

Solução de Exercício 17.6.

(a) Numericamente, C=12×3NkBC = \tfrac12 \times 3Nk_{\text{B}} perto de T/θE≈0.34T/\theta_{\text{E}} \approx 0.34. (b) θE/T=4.3\theta_{\text{E}}/T = 4.3: C/3NkB=4.32e−4.3/(1−e−4.3)2≈0.26C/3Nk_{\text{B}} = 4.3^2\eu^{-4.3}/(1 - \eu^{-4.3})^2 \approx 0.26 — à temperatura ambiente, o diamante mal tem um quarto da capacidade térmica clássica: a “anomalia” é o congelamento quântico à vista de todos. (c) θE=90 K\theta_{\text{E}} = 90\,\mathrm{K} põe o chumbo bem dentro do regime clássico a 300 K300\,\mathrm{K}. (d) A hipótese de frequência única: os sólidos reais têm um espectro de modos que desce até o som de longo comprimento de onda, cujos quanta baratos dão a lei T3T^3 — o conserto de Debye, no Capítulo 20.

Exercício 17.7 ★★

A cauda de Maxwell e o hidrogênio ausente. (a) A partir do fator de Boltzmann sobre a energia cinética, escreva a distribuição de velocidades e localize a velocidade mais provável do N2_2 e do H2_2 a 288 K288\,\mathrm{K}. (b) A velocidade de escape da Terra é 11.2 km/s11.2\,\mathrm{km}/\mathrm{s}: calcule mvesc2/2kBTmv_{\text{esc}}^2/2k_{\text{B}}T para os dois gases. (c) A fração que escapa vai como e−mvesc2/2kBT\eu^{-mv_{\text{esc}}^2/2k_{\text{B}}T}: compare os dois expoentes e conclua que gás vaza em tempo geológico. (d) Conecte com a composição observada das atmosferas da Terra (sem H2_2 livre) e de Júpiter (quase toda H2_2) — que dois parâmetros invertem o veredito?

Solução

Solução de Exercício 17.7.

(a) f(v)∝v2e−mv2/2kBTf(v) \propto v^2\eu^{-mv^2/2k_{\text{B}}T}: vp=2kBT/mv_{\text{p}} = \sqrt{2k_{\text{B}}T/m}: 413 m/s413\,\mathrm{m}/\mathrm{s} para o N2_2 e 1540 m/s1540\,\mathrm{m}/\mathrm{s} para o H2_2. (b) mvesc2/2kBT≈730mv_{\text{esc}}^2/2k_{\text{B}}T \approx 730 para o N2_2 e 5252 para o H2_2. (c) e−730\eu^{-730} é nunca; e−52∼10−23\eu^{-52} \sim 10^{-23} por tempo de residência é lento — mas a alta atmosfera quente (∼1000 K\sim1000\,\mathrm{K}) suaviza o expoente do hidrogênio para ∼15\sim15: o hidrogênio sangra ao longo do tempo geológico, e o nitrogênio fica. (d) A velocidade de escape e a temperatura da exosfera: o poço de 60 km/s60\,\mathrm{km}/\mathrm{s} de Júpiter torna astronômico até o expoente do hidrogênio — os gigantes gasosos guardam o que os mundos pequenos e mornos perdem.

Exercício 17.8 ★★

As flutuações encontram a resposta. (a) Demonstre C=(⟨E2⟩−⟨E⟩2)/kBT2C = (\langle E^2\rangle - \langle E\rangle^2)/k_{\text{B}}T^2 a partir de duas derivadas de ln⁡Z\ln Z. (b) Verifique isso explicitamente no sistema de dois níveis. (c) Para NN unidades independentes, mostre que a flutuação de energia relativa cai como 1/N1/\sqrt N. (d) Enuncie a moral: o que a disposição de um sistema a absorver calor (uma resposta) tem a ver com o quanto sua energia vibra (uma flutuação) — a barganha recorrente da física estatística.

Solução

Solução de Exercício 17.8.

(a) ∂β2ln⁡Z=⟨E2⟩−⟨E⟩2\partial_\beta^2\ln Z = \langle E^2\rangle - \langle E\rangle^2, e C=∂T⟨E⟩=−kBβ2∂β⟨E⟩C = \partial_T\langle E\rangle = -k_{\text{B}}\beta^2\partial_\beta\langle E\rangle. (b) Os dois lados dão NkB(βϵ)2eβϵ/(eβϵ+1)2Nk_{\text{B}}(\beta\epsilon)^2\eu^{\beta\epsilon}/( \eu^{\beta\epsilon} + 1)^2. (c) ⟨E⟩∝N\langle E\rangle \propto N e ΔE∝N\Delta E \propto \sqrt N. (d) O quanto um sistema responde ao aquecimento é igual ao quanto sua energia vibra espontaneamente — resposta e flutuação são duas leituras da mesma segunda derivada, um padrão (flutuação–dissipação) que reaparece por toda a física.

Exercício 17.9 ★★

Boltzmann no laboratório de química. As taxas de reação carregam o fator e−Ea/kBT\eu^{-E_a/k_{\text{B}}T} (a travessia de uma barreira de ativação EaE_a — Arrhenius). (a) Mostre que a regra prática “a taxa dobra a cada 10 K10\,\mathrm{K} perto da temperatura ambiente” corresponde a Ea≈0.55 eVE_a \approx 0.55\,\mathrm{eV}. (b) Por que fator essa reação desacelera numa geladeira (5 ∘C5\,{}^{\circ}\mathrm{C})? (c) Cozinhar um ovo em altitude: a água ferve a 93 ∘C93\,{}^{\circ}\mathrm{C} num passo de 2000 m2000\,\mathrm{m} — estime o tempo extra de cozimento. (d) Por que é a cauda além da barreira, e não a energia média, que governa a química (quais moléculas reagem)?

Solução

Solução de Exercício 17.9.

(a) ln⁡2=Ea ΔT/kBT2\ln2 = E_a\,\Delta T/k_{\text{B}}T^2 com ΔT=10 K\Delta T = 10\,\mathrm{K} e T=298 KT = 298\,\mathrm{K}: Ea=0.693 kBT2/10≈0.55 eVE_a = 0.693\,k_{\text{B}}T^2/10 \approx 0.55\,\mathrm{eV}. (b) De 298298 a 278 K278\,\mathrm{K}: um fator eEa(1/278−1/298)/kB≈4.4\eu^{E_a(1/278 - 1/298)/k_{\text{B}}} \approx 4.4 mais lento — e é por isso que as geladeiras conservam alimentos. (c) 373→366 K373 \to 366\,\mathrm{K}: a taxa cai por ≈1.4\approx1.4: o ovo de onze minutos precisa de um quarto de hora. (d) As reações são vencidas pela cauda exponencial das moléculas acima da barreira: desloque um pouco a temperatura e a população da cauda se desloca enormemente — a média quase não importa.

Exercício 17.10 ★★★

Enovelamento de dois estados. Uma biomolécula está enovelada (energia 00, uma configuração) ou desenovelada (energia ΔE>0\Delta E > 0, Ωu=eΔS/kB\Omega_u = \eu^{\Delta S/k_{\text{B}}} configurações). (a) Escreva a fração enovelada em função de TT. (b) Mostre que o ponto médio da “fusão” é Tm=ΔE/ΔST_{\text{m}} = \Delta E/\Delta S e interprete-o como um empate em F=E−TSF = E - TS. (c) Com ΔE=3.0 eV\Delta E = 3.0\,\mathrm{eV} e ΔS=100 kB\Delta S = 100\,k_{\text{B}} (a unidade cooperativa de uma proteína pequena): calcule TmT_{\text{m}} e a largura da transição. (d) Por que a cooperatividade (muitos contatos que se rompem juntos, com ΔE\Delta E e ΔS\Delta S grandes) torna a fusão mais abrupta — e como as máquinas de ciclagem térmica de DNA (PCR) exploram exatamente isso?

Solução

Solução de Exercício 17.10.

(a) fenov=1/(1+e−β(ΔE−TΔS))f_{\text{enov}} = 1/(1 + \eu^{-\beta(\Delta E - T\Delta S)}), com a entropia do estado desenovelado embutida na energia livre dele. (b) Em Tm=ΔE/ΔST_{\text{m}} = \Delta E/\Delta S as duas energias livres empatam: meio a meio. (c) Tm=4.8×10−19/1.38×10−21=348 KT_{\text{m}} = 4.8 \times 10^{-19}/1.38 \times 10^{-21} = 348\,\mathrm{K} (75 ∘C75\,{}^{\circ}\mathrm{C}); largura δT∼kBTm2/ΔE≈3.5 K\delta T \sim k_{\text{B}}T_{\text{m}}^2/\Delta E \approx 3.5\,\mathrm{K}. (d) A cooperatividade multiplica tanto ΔE\Delta E quanto ΔS\Delta S pelo número de contatos que se rompem juntos, mantendo TmT_{\text{m}} e encolhendo a largura ∝1/ΔE\propto 1/\Delta E: as fitas de DNA se separam ao longo de uns poucos kelvins, o que é o que permite a uma máquina de PCR ciclar limpamente entre “fundido” e “anelado”.

Exercício 17.11 ★★★

Paramagnetismo e resfriamento magnético. NN spins 12\tfrac12 de momento μ\mu num campo BB. (a) Mostre que M=Nμtanh⁡(μB/kBT)M = N\mu\tanh(\mu B/k_{\text{B}}T) e expanda até a lei de Curie M≈Nμ2B/kBTM \approx N\mu^2B/k_{\text{B}}T. (b) Avalie o alinhamento μB/kBT\mu B/k_{\text{B}}T para momentos eletrônicos em B=1 TB = 1\,\mathrm{T} e T=300 KT = 300\,\mathrm{K}, e depois a 1 K1\,\mathrm{K}. (c) Desmagnetização adiabática: magnetize a 1 K1\,\mathrm{K}, isole e reduza BB dez vezes — mostre que entropia constante significa μB/kBT\mu B/k_{\text{B}}T constante, de modo que TT cai dez vezes. (d) O que fixa o piso dessa geladeira (as interações entre os spins — estime a escala dipolar μ0μ2/4πa3\mu_0\mu^2/4\pi a^3 para a=0.5 nma = 0.5\,\mathrm{nm}, em unidades de temperatura)?

Solução

Solução de Exercício 17.11.

(a) z=2cosh⁡(βμB)z = 2\cosh(\beta\mu B); M=Nμtanh⁡(βμB)≈Nμ2B/kBTM = N\mu\tanh(\beta\mu B) \approx N\mu^2B/k_{\text{B}}T para argumento pequeno: o 1/T1/T de Curie. (b) μBB/kBT\mu_{\text{B}}B/k_{\text{B}}T: 2.2×10−32.2 \times 10^{-3} a 300 K300\,\mathrm{K}; 0.670.67 a 1 K1\,\mathrm{K} — de indiferente a fortemente alinhado. (c) O SS depende só de μB/kBT\mu B/k_{\text{B}}T; baixar BB a entropia fixa arrasta TT para baixo na mesma proporção: 1 K→0.1 K1\,\mathrm{K} \to 0.1\,\mathrm{K}. (d) Quando o kBTk_{\text{B}}T alcança a energia spin–spin, a entropia deixa de ser controlada pelo campo: μ0μB2/4πa3≈7×10−26 J∼5 mK\mu_0\mu_{\text{B}}^2/4\pi a^3 \approx 7 \times 10^{-26}\,\mathrm{J} \sim 5\,\mathrm{mK} — o piso clássico (os momentos nucleares, mil vezes mais fracos, o empurram para microkelvins).

Exercício 17.12 ★★★

A escadaria rotacional, quantitativamente. Os níveis rotacionais de uma diatômica são EJ=BJ(J+1)E_J = BJ(J+1), com degenerescência 2J+12J + 1 (Capítulo 10). (a) Escreva zrotz_{\text{rot}} e mostre que, para kBT≫Bk_{\text{B}}T \gg B, a soma vira a integral kBT/Bk_{\text{B}}T/B: o kBk_{\text{B}} da equipartição recuperado em CVC_V. (b) Defina θrot=B/kB\theta_{\text{rot}} = B/k_{\text{B}} e avalie-o para o H2_2 (B=7.5 meVB = 7.5\,\mathrm{meV}) e o N2_2 (B=0.25 meVB = 0.25\,\mathrm{meV}): que gás mostra o degrau rotacional em temperaturas acessíveis? (c) Esboce a escadaria completa do CV(T)C_V(T) do hidrogênio, com seus três patamares e dois degraus, pondo números nos dois. (d) O comportamento medido em TT baixo do H2_2 é ainda complicado pela mistura orto–para 3:1 do Exercício 14.8: diga numa frase como a estatística de spin nuclear chega até a capacidade térmica de um gás.

Solução

Solução de Exercício 17.12.

(a) zrot=∑J(2J+1)e−βBJ(J+1)→∫(2J+1)e−βBJ(J+1) ⁣dJ=kBT/Bz_{\text{rot}} = \sum_J(2J+1)\eu^{-\beta BJ(J+1)} \to \int(2J+1)\eu^{-\beta BJ(J+1)}\dd J = k_{\text{B}}T/B: então ⟨E⟩=kBT\langle E\rangle = k_{\text{B}}T e Crot=kBC_{\text{rot}} = k_{\text{B}}. (b) H2_2: θrot=87 K\theta_{\text{rot}} = 87\,\mathrm{K} — o degrau fica na faixa do laboratório; N2_2: 2.9 K2.9\,\mathrm{K}, congelado só perto do hélio líquido, de modo que o nitrogênio mostra sempre 52R\tfrac52 R. (c) Patamares em 32R\tfrac32 R (abaixo de ∼50 K\sim50\,\mathrm{K}) e em 52R\tfrac52 R (de ∼200\sim200 a ∼1000 K\sim1000\,\mathrm{K}), subindo rumo a 72R\tfrac72 R perto de θvib≈6000 K\theta_{\text{vib}} \approx 6000\,\mathrm{K}. (d) Os JJ ímpares e pares pertencem a espécies de spin nuclear diferentes, que se interconvertem devagar, e por isso o CVC_V do hidrogênio frio depende da história orto–para dele — a estatística nuclear auditada por um calorímetro.

17.4 Problema: Contar Avogadro numa gota d’água

Problema 17.1

Problema de fim de semana — os grãos de Perrin e a realidade dos átomos

Em 1908, Jean Perrin suspendeu grãos microscópicos de resina em água, deixou-os assentar e os contou camada a camada ao microscópio. A escada exponencial que ele encontrou era o fator de Boltzmann tornado visível — e, da altura de escala dela, ele extraiu o número de Avogadro, convencendo os últimos céticos de que os átomos existem. Prêmio Nobel, 1926. Dados: grãos de goma-guta de raio r=0.212 µmr = 0.212\,\text{µ}\mathrm{m} e densidade ρg=1207 kg/m3\rho_{\text{g}} = 1207\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}; água com ρw=999 kg/m3\rho_{\text{w}} = 999\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}; T=293 KT = 293\,\mathrm{K}; g=9.81 m/s2g = 9.81\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

Parte I — O fator de Boltzmann visível.

  1. Um grão na água sente a gravidade menos o empuxo: calcule sua massa efetiva m′=43πr3(ρg−ρw)m' = \tfrac43\pi r^3(\rho_{\text{g}} - \rho_{\text{w}}) e o peso dela.
  2. Escreva o perfil de concentração de equilíbrio n(h)n(h) a partir do fator de Boltzmann.
  3. Calcule a altura de escala h0=kBT/m′gh_0 = k_{\text{B}}T/m'g com o kBk_{\text{B}} moderno.
  4. Por que os grãos precisam ter tamanho tão precisamente único (como h0h_0 depende de rr)?
  5. Compare h0h_0 com a mesma fórmula para as moléculas do ar: por que a atmosfera dos grãos tem micrômetros de altura, e a do ar tem quilômetros?
  6. Perrin contou (numa das rodadas) concentrações relativas de 100:55:30:17100 : 55 : 30 : 17 em quatro profundidades igualmente espaçadas, a 30 µm30\,\text{µ}\mathrm{m} uma da outra: verifique que isso é uma escada exponencial e extraia o h0h_0 dela.

Parte II — Pesar o invisível.

  1. Inverta: a partir do h0h_0 medido do item 6 e do m′gm'g conhecido, extraia kBk_{\text{B}}.
  2. A constante dos gases R=8.314 J/(mol K)R = 8.314\,\mathrm{J}/(\mathrm{mol}\,\mathrm{K}) já era conhecida da química macroscópica: combine-a com o seu kBk_{\text{B}} para obter o número de Avogadro NA=R/kBN_{\text{A}} = R/k_{\text{B}}.
  3. As rodadas de Perrin deram NAN_{\text{A}} entre 5.55.5 e 7.2×10237.2 \times 10^{23}: compare com o valor moderno 6.022×10236.022 \times 10^{23} e comente o feito, dados o microscópio e o cronômetro dele.
  4. A partir de NAN_{\text{A}}, calcule a massa de um único átomo de hidrogênio — o número que os atomistas queriam havia um século.
  5. Explique a estrutura lógica: que medidas macroscópicas (RR; o tamanho e a densidade dos grãos; a escada) se combinam para pesar um átomo, sem que átomo algum jamais seja visto?
  6. Por que os grãos — de 101010^{10} massas atômicas cada — obedecem à mesma estatística de Boltzmann que as moléculas (o que, na dedução do Teorema 17.1, se importa com o tamanho)?

Parte III — O tremor que sela o caso.

  1. Os mesmos grãos tremem: a fórmula de Einstein de 1905 para o movimento browniano dá ⟨x2⟩=2Dt\langle x^2\rangle = 2Dt com D=kBT/6πηrD = k_{\text{B}}T/6\pi\eta r (água: η=10−3 Pa s\eta = 10^{-3}\,\mathrm{Pa}\,\mathrm{s}). Calcule DD para os grãos de Perrin.
  2. Quanto um grão vagueia em um minuto? Perrin poderia medi-lo com uma ocular micrométrica e um cronômetro?
  3. Perrin verificou ⟨x2⟩∝t\langle x^2\rangle \propto t e extraiu kBk_{\text{B}} de novo, de modo independente: por que duas rotas sem relação (uma escada estática; um tremor dinâmico) até um mesmo número tiveram tanto peso probatório?
  4. O tremor é a equipartição aplicada ao grão: cada componente da velocidade carrega 12kBT\tfrac12 k_{\text{B}}T. Estime a velocidade térmica quadrática média do grão (m≈4.8×10−17 kgm \approx 4.8 \times 10^{-17}\,\mathrm{kg}).
  5. Por que essa velocidade nunca é vista diretamente (o que interrompe o voo livre depois de nanômetros), e o que se vê no lugar dela?
  6. Diga que dois capítulos deste livro se encontram na observação: a mecânica do arrasto (volume do segundo ano, viscosidade) e a estatística deste capítulo.

Parte IV — O que ficou resolvido.

  1. Ostwald e Mach sustentavam que os átomos eram ficções contábeis: diga numa frase por que um NAN_{\text{A}} contado a partir de escadas de grãos encerrou essa posição.
  2. Liste outras três rotas dos anos 1900 que convergiram para o mesmo NAN_{\text{A}} (o azul do céu, Exercício 16.12; a eletrólise mais a carga do elétron; a produção de hélio pela radioatividade) — por que a convergência importou mais que qualquer valor isolado?
  3. A escada de Perrin é um equilíbrio entre quais duas moedas deste capítulo (a energia puxando para baixo, a entropia espalhando para cima), cotadas a que taxa?
  4. Usos modernos da mesma física: as ultracentrífugas analíticas giram proteínas a 105g10^5g para comprimir as “atmosferas” delas em escadas mensuráveis — mostre que multiplicar gg por 10510^5 divide h0h_0 pelo mesmo fator, e estime h0h_0 para uma proteína de massa efetiva 10−22 kg10^{-22}\,\mathrm{kg} a 105g10^5g e 293 K293\,\mathrm{K}.
  5. Dobrar o raio do grão divide h0h_0 por oito: delimite a janela prática de tamanhos de grão entre “escada alta demais para se ver um gradiente” e “escada mais fina que um grão”, para um campo de microscópio de 100 µm100\,\text{µ}\mathrm{m} de profundidade.
  6. Desde 2019, o SI define exatamente kBk_{\text{B}} e NAN_{\text{A}}: diga o que um experimento à moda de Perrin mede hoje (uma verificação de coerência, ou uma calibração do aparelho e dos grãos) — e por que a física não mudou.
  7. Resuma o resultado central: a concentração de um grão de 0.2 µm0.2\,\text{µ}\mathrm{m} cai à metade a cada ∼35 µm\sim35\,\text{µ}\mathrm{m} de altura; lida com n(h)=n0e−m′gh/kBTn(h) = n_0\eu^{-m'gh/k_{\text{B}}T}, essa escada rendeu NA≈6×1023N_{\text{A}} \approx 6 \times 10^{23} — átomos contados, e não conjecturados, numa gota d’água sobre a platina de um microscópio.
Solução

Solução de Problema 17.1.

1. V=43πr3=4.0×10−20 m3V = \tfrac43\pi r^3 = 4.0 \times 10^{-20}\,\mathrm{m}^{3}: m′=VΔρ=8.3×10−18 kgm' = V \Delta\rho = 8.3 \times 10^{-18}\,\mathrm{kg}, com peso m′g=8.1×10−17 Nm'g = 8.1 \times 10^{-17}\,\mathrm{N}. 2. n(h)=n0 e−m′gh/kBTn(h) = n_0\,\eu^{-m'gh/k_{\text{B}}T}: a lei barométrica, encolhida a uma lâmina de microscópio. 3. h0=kBT/m′g=4.04×10−21/8.1×10−17≈50 µmh_0 = k_{\text{B}}T/m'g = 4.04 \times 10^{-21}/8.1 \times 10^{-17} \approx 50\,\text{µ}\mathrm{m}. 4. h0∝1/r3h_0 \propto 1/r^3: uma dispersão de 10%10\% no raio é uma dispersão de 30%30\% na altura de escala — grãos polidispersos borram a escada até virar mingau. Perrin fracionou os seus durante meses, por centrifugações repetidas. 5. Mesma fórmula, com massas 101010^{10} vezes diferentes: a “atmosfera” dos grãos é 101010^{10} vezes mais rasa — quilômetros encolhem a dezenas de micrômetros, que é precisamente o que a torna observável por inteiro ao microscópio. 6. Razões sucessivas de 0.550.55, 0.550.55 e 0.570.57: constantes dentro do erro de contagem — exponencial. h0=30 µm/ln⁡(100/55)≈50 µmh_0 = 30\,\text{µ}\mathrm{m}/\ln(100/55) \approx 50\,\text{µ}\mathrm{m}. 7. kB=m′g h0/T=8.1×10−17×5.0×10−5/293≈1.4×10−23 J/Kk_{\text{B}} = m'g\,h_0/T = 8.1 \times 10^{-17} \times 5.0 \times 10^{-5}/293 \approx 1.4 \times 10^{-23}\,\mathrm{J}/\mathrm{K}. 8. NA=R/kB≈6.0×1023 mol−1N_{\text{A}} = R/k_{\text{B}} \approx 6.0 \times 10^{23}\,\mathrm{mol}^{-1}. 9. Aqui, dentro de alguns por cento (com dados idealizados); as rodadas reais de Perrin se espalhavam ±15%\pm15\% em torno do valor moderno — espantoso para grãos contados à mão, e absolutamente decisivo para a ordem de grandeza. 10. mH=10−3 kg/mol/NA=1.7×10−27 kgm_{\text{H}} = 10^{-3}\,\mathrm{kg}/\mathrm{mol}/N_{\text{A}} = 1.7 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}. 11. A química macroscópica fornece RR; a microscopia óptica e a pesagem fornecem m′m'; a contagem fornece a escada: três medidas de bancada triangulam a massa de um átomo que ninguém consegue ver. 12. Nada: a dedução usou apenas “um sistema que troca energia com um reservatório” — o fator de Boltzmann é cego ao tamanho, que é exatamente o que Perrin verificou. 13. D=kBT/6πηr=4.04×10−21/4.0×10−9≈10−12 m2/sD = k_{\text{B}}T/6\pi\eta r = 4.04 \times 10^{-21}/4.0 \times 10^{-9} \approx 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}. 14. 2Dt=1.2×10−10≈11 µm\sqrt{2Dt} = \sqrt{1.2 \times 10^{-10}} \approx 11\,\text{µ}\mathrm{m} por minuto: confortavelmente mensurável com uma ocular graduada e paciência. 15. Dois fenômenos independentes, duas fórmulas independentes, um só número: a concordância entre a escada estática e o tremor dinâmico não deixou nicho algum para a coincidência — a hipótese molecular previa os dois. 16. kBT/m=4.04×10−21/4.8×10−17≈9 mm/s\sqrt{k_{\text{B}}T/m} = \sqrt{4.04 \times 10^{-21}/ 4.8 \times 10^{-17}} \approx 9\,\mathrm{mm}/\mathrm{s} por componente. 17. O grão é golpeado 101910^{19} vezes por segundo e esquece sua velocidade em poucos nanômetros: o voo balístico é inobservável, e o que o olho vê é a integral dele — a caminhada aleatória difusiva. 18. O arrasto de Stokes (a viscosidade dos fluidos do volume do segundo ano) fornece o 6πηr6\pi\eta r; o ensemble canônico fornece o kBTk_{\text{B}}T: o DD de Einstein é o quociente dos dois, mecânica e estatística numa só fração. 19. Uma ficção não pode ser contada: uma vez que NAN_{\text{A}} é a razão entre dois números medidos, com barras de erro, os átomos passam a ser objetos de experimento — Ostwald cedeu por escrito em 1909. 20. O espalhamento que faz o céu azul, a eletrólise com a carga do elétron medida, o hélio acumulado a partir do rádio: quatro canais físicos sem relação entre si convergindo para um mesmo 6×10236\times10^{23} fizeram do número uma propriedade da natureza, e não de teoria alguma. 21. A energia gravitacional puxando os grãos para baixo, a entropia configuracional espalhando-os para cima, trocadas à taxa TT: a escada é o mínimo de F=E−TSF = E - TS. 22. h0∝1/gh_0 \propto 1/g: a 105g10^5g, h0=kBT/(m′×105g)=4.04×10−21/9.8×10−17≈40 µmh_0 = k_{\text{B}}T/(m'\times10^5g) = 4.04 \times 10^{-21}/ 9.8 \times 10^{-17} \approx 40\,\text{µ}\mathrm{m} para a proteína — o equilíbrio de sedimentação, o experimento de Perrin refeito todo dia nos departamentos de bioquímica. 23. De “alta demais” (h0≫h_0 \gg profundidade do campo: nenhum gradiente visível) a “fina demais” (h0≲rh_0 \lesssim r): os raios utilizáveis vão de cerca de 0.10.1 a 0.5 µm0.5\,\text{µ}\mathrm{m} — a escolha de Perrin não foi sorte, foi projeto. 24. Com o kBk_{\text{B}} agora exato por definição, o mesmo experimento calibra os grãos (o tamanho ou a densidade deles) ou audita a montagem: a física — a escada de Boltzmann — fica intocada; só mudou que grandeza conta como incógnita. 25. A população de um grão de 0.2 µm0.2\,\text{µ}\mathrm{m} cai à metade a cada ∼35 µm\sim35\,\text{µ}\mathrm{m}; lida por n0e−m′gh/kBTn_0\eu^{-m'gh/k_{\text{B}} T}, a escada devolveu NA≈6×1023N_{\text{A}} \approx 6 \times 10^{23}: o número de Avogadro contado grão a grão — e o debate atômico encerrado sobre a platina de um microscópio.