Enunciado
Física - Fundamentos de Física Volume 2 - Gravitação, Ondas e Termodinâmica - 10ª Edição - David Halliday, Jearl Walker e Robert Resnick- Ed: 10º - Capítulo 20.Problemas Adicionais - Ex. 71
Uma caixa contém moléculas. Considere duas configurações: a configuração , com uma divisão igual de moléculas entre os dois lados da caixa, e a configuração , com das moléculas no lado esquerdo e no lado direito. Para , qual é (a) a multiplicidade da configuração , (b) a multiplicidade da configuração e (c) a razão entre o tempo que o sistema passa na configuração e o tempo que o sistema passa na configuração ? Para , quais são (d) , (e) e (f) ? Para , quais são (g) , (h) e (i) ? (j) Com o aumento de , aumenta, diminui ou permanece constante?
Passo 1
(a) Bom, só pra ficar claro: queremos a multiplicidade de uma configuração em que temos um total de moléculas em uma caixa, com metade em cada um dos lados.
Lembrando que, pra cada configuração do sistema, a multiplicidade é o número de microestados possíveis, o número de formas diferentes de arrumar moléculas iguais.
Esse caso de moléculas distribuídas em dois lados de uma caixa é bem comum, a fórmula da multiplicidade nesse caso é:
Ou seja:
Passo 2
E a mesma fórmula funciona no caso da letra (b). Mas agora os valores de e são diferentes:
Como de é e de é , a fórmula fica assim:
Passo 3
(c) Agora queremos a razão entre o tempo que o sistema passa em cada uma dessas configurações que acabamos de calcular.
Bom, pense assim, cada estado é igualmente provável certo?
Se existissem duas vezes mais estados que se enquadram na configuração , concorda que o sistema passaria duas vezes mais tempo nessa configuração?
Então por essa mesma lógica:
Passo 4
(d) Agora vamos calcular exatamente as mesmas coisas dos últimos três itens, mas com .
Passo 5
(e) E no outro caso, as porcentagens são ainda mais fáceis:
Passo 6
(f) E aquela mesma razão que calculamos na letra (c) vai ser:
Passo 7
(g) Agora vamos calcular exatamente essas três coisas mais uma vez, mas com .
Essa nem a calculadora aguentou fazer. Só de curiosidade, olha qual é o resultado dessa razão aí com todos os algarismos:
Mas só isso aqui já é suficiente:
Passo 8
(h) E no outro caso:
Passo 9
(i) E aquela mesma razão que calculamos na letra (c) vai ser:
Passo 10
Agora queremos observar como esse se comporta quando aumenta. Vamos ver os resultados:
Ou seja, quando aumenta, diminui.
Resposta
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j) diminui quando aumenta.