A2A.
Interesante pregunta. Eso es en parte porque no estoy seguro de saber la respuesta. Es en parte porque se vincula con el teorema de la equipartición, que me ha estado molestando un poco durante algunos años. Por supuesto, no sé lo suficiente sobre los aspectos mecánicos cuánticos de este tema. De todos modos, aquí están mis pensamientos.
La temperatura de un gas está relacionada con la rapidez con que las moléculas zumban. Cuando chocan con alguna otra molécula, la colisión es elástica, por lo que se conserva la energía cinética y el impulso. A veces, la geometría de colisión es justa y la energía se transfiere de la molécula más lenta a la molécula más rápida, por lo que la lenta termina yendo más lenta y la rápida termina yendo más rápido. Pero más a menudo, es al revés, ya que el lento se acelera y el rápido se desacelera. La aleatoriedad de las colisiones y la transferencia ocasional de energía por el camino equivocado son las que conducen a una distribución estable de energías (distribución de Maxwell-Boltzmann).
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Usted preguntó por qué no incluimos energía rotacional y energía vibratoria en lo que llamamos temperatura. ¿Por qué es solo traslacional?
Hay una subsección de historia en la página de wikipedia del teorema de equipartición y en esa sección está la siguiente figura:
Esa cifra básicamente muestra que a medida que aumenta la temperatura, la capacidad de calor específica, que consideramos como una constante, en realidad tiene este comportamiento escalonado. A temperaturas más altas, se necesita una mayor cantidad de energía térmica para aumentar la temperatura del gas en la misma cantidad.
A bajas temperaturas, las colisiones entre las moléculas son tan suaves que no causan que la otra molécula gire mucho y ciertamente no impactan lo suficiente como para hacer que la otra molécula vibre. Pero a medida que aumenta la velocidad promedio de las moléculas, alcanza un punto en el que las moléculas se golpean entre sí con tanta fuerza que comienzan a excitar estos movimientos de mayor energía. En ese punto, la energía se distribuye entre esos nuevos grados de libertad. Agregar más energía (agregar calor) ya no solo acelera las traducciones, sino que también gira y hace vibrar las moléculas. Durante una colisión, la rotación puede ser tal que el átomo en un extremo de la molécula gira y choca contra otra molécula y lo envía acelerando, dejando que su propia molécula gire más lentamente. En ese caso, la energía va del grado rotacional de libertad al traslacional. Y puede ir a la inversa con la traducción de una molécula que se desplaza fuera del centro de la otra y la hace girar. Con toda la aleatoriedad, la energía total se comparte sobre todos los grados de libertad que pueden participar en las colisiones (lo que significa que pueden transferir porciones significativas de energía durante el corto tiempo de una colisión).
Lo que en parte me ha estado molestando sobre todo esto durante años es ¿por qué las rotaciones y las vibraciones no pueden participar incluso a energías más bajas? ¿Qué tiene de especial a medida que aumenta la temperatura que de repente comienzan a participar? Aquí podría ser donde entra mi pobre comprensión de la mecánica cuántica.
De todos modos, de vuelta a su pregunta. En estas colisiones elásticas en las que la energía se transfiere de una molécula a otra, no importa si se trata de energía rotacional, vibracional o traslacional, el momento lineal del sistema de dos moléculas permanece igual antes y después . Esto es más una pista que una deducción. Sospecho que es debido a esta conservación del momento de traducción que la temperatura solo depende de los movimientos de traducción de las moléculas.
Recuerda al principio, dije que realmente no sé la respuesta. Esto es lo que quise decir. Estoy adivinando aquí. Es una suposición educada, pero aún podría estar completamente equivocado sobre esto. Espero que hablar sobre esto pueda darle algunas ideas para que pueda pensarlo y llegar a sus propias conclusiones.
