1.2.1: Simulación de Dinámica Molecular

La siguiente simulación muestra un número ajustable de moléculas de gas en un contenedor. Las moléculas interactúan con una ligera atracción que hará que permanezcan conectadas entre sí para formar un sólido. Pero si tienen suficiente energía cinética comenzarán a moverse unos alrededor de otros mientras aún están conectados y el sólido se convierte en líquido. Con aún más energía cinética se separan entre sí y se convierten en un gas. La energía se puede agregar o eliminar de las moléculas con los botones 'frío' y 'calor' para mostrar cambios de fase de sólido a líquido a gas. La energía total (E), la temperatura y la presión (\(\text{P}\)) se dan por debajo de la simulación.

Las unidades utilizadas en la simulación se denominan 'unidades naturales' donde muchas constantes (como la constante de Boltzmann, la masa de las moléculas, el ancho de las moléculas, etc.) se establecen iguales a una. Para que los valores estén en las unidades habituales de julios para energía, pascal para presión y kelvin para temperatura tendrían que multiplicarse por factores de escala que dependerán exactamente de qué gas se esté modelando. Para nuestros propósitos aquí podemos ignorar estos detalles y simplemente hablar de energía, presión y temperatura; ver las referencias a continuación la simulación para más detalles.

La simulación inicial muestra el sistema como un gas. Las moléculas son amarillas si tienen mucha energía cinética, rojas si tienen una cantidad media y azules si tienen muy poca energía cinética. Hay varias opciones preestablecidas que se pueden seleccionar en el menú desplegable.

Créditos

La Exploración de Dinámica Molecular fue desarrollada por Wolfgang Christian en Davidson College utilizando la herramienta de modelado y autoría Easy Java/JavaScript Simulation (EJSS) creada por Francisco Esquembre. Esta simulación EJSS se basa en una simulación pura JavaScript + HTML 5 desarrollada por Daniel V. Schroeder, Departamento de Física de la Universidad Estatal de Weber. La simulación de Schroeder se describe en el artículo Interactive Molecular Dynamics (pdf), publicado en el American Journal of Physics 83 (3), 210-218 (2015), ARXIV:1502.06169 [physics.ed-ph]. (Gracias a John Mallinckrodt por inspirar a varios de los presets.) Muchos de estos ajustes preestablecidos utilizan funciones que solo están disponibles en la simulación original de Dan Schroeder. Hemos importado el archivo de configuración generado con la simulación de Schroeder al modelo EJS.

Preguntas de simulación:

1. Iniciar la simulación. ¿En qué estado se encuentra el sistema cuando se inicia la simulación?
2. ¿Todas las moléculas tienen la misma energía cinética? (¿La simulación los muestra todos con el mismo color?)
3. La energía cinética promedio de las moléculas en una sustancia es proporcional a la temperatura. Usa el botón 'cool' para disminuir la temperatura. ¿Qué nota sobre la energía cinética promedio a medida que se baja la temperatura?
4. ¿Aproximadamente a qué temperatura empiezan a agruparse las moléculas y formar un líquido? (Caliéntalo y enfríalo varias veces para verificar tu suposición inicial).
5. Recordemos que la presión es fuerza dividida por área. En este caso la fuerza es suministrada por las moléculas que golpean los lados del contenedor. ¿Qué pasa con la presión a medida que baja la temperatura? ¿Y si sube la temperatura?
6. Enfriar aún más el sistema hasta que quede sólido. ¿Aproximadamente a qué temperatura dejan de moverse las moléculas unas alrededor de otras para formar un sólido?
7. Detenga la simulación y use el menú desplegable para elegir el ajuste preestablecido de bola que rebota. Ejecuta la simulación. ¿Qué notas sobre la energía cinética de las moléculas (el color más claro significa mayor energía cinética) después de que la pelota golpea el suelo?
8. Para la pelota que rebota, sabemos que la energía se conserva. Pero la pelota no vuelve a su altura original después de que rebota por lo que no termina con la misma energía potencial gravitacional con la que empezó. Con base en sus observaciones en la pregunta anterior, ¿qué pasó con parte de la energía potencial gravitacional de la pelota después de que golpeara el suelo?
9. Restablecer la simulación y ejecutar el ajuste preestablecido 'Caliente y Frío'. Las moléculas en el sólido superior tienen más energía cinética que las moléculas en el sólido inferior. ¿Qué crees que pasará cuando los dos sólidos se toquen? Ejecuta la simulación para ver qué pasa. ¿Estabas en lo cierto?
10. Restablecer la simulación y ejecutar el preset 'Friction'. Notarás que las moléculas de la inclinación y el objeto deslizante ganan energía cinética a medida que los objetos se deslizan por la pendiente. ¿De dónde viene esta energía?
11. Restablecer la simulación y ejecutar el ajuste preestablecido 'Plucked String'. ¿Qué parte de la cuerda tiene más energía cuando se arranca?

Resumen del Capítulo Dos

Las fuerzas causan aceleraciones, no velocidades (los objetos se mantendrán moviéndose con velocidad constante si la fuerza neta es cero). Por cada fuerza siempre hay una segunda fuerza de reacción de la misma cantidad pero que actúa sobre un objeto diferente y en sentido contrario. La presión es la fuerza distribuida sobre un área. El principio de Bernoulli es el resultado del flujo de aire a diferentes velocidades y diferentes presiones y hace que las pelotas de pelota se curven y los labios de un trompetista zumben. La energía viene en muchas formas y se conserva la cantidad total de energía (no podemos crearla ni destruirla, solo convertirla de un tipo a otro). Cuando la energía se convierte de una forma a otra parte de ella tiene que terminar en una forma menos útil (calor que generalmente no es útil). Además, a medida que avanzas por este libro recuerda que: Las palabras de ciencia tienen definiciones estrechas específicas; Cualquier número que veas en la ciencia es una medida de algo, a diferencia de la clase de matemáticas; y Las leyes de la física son siempre ciertas sin excepciones.