La idea en pocas palabras
Encerramos un gas en una caja, lo dejamos tranquilo mucho tiempo y contamos cuántas moléculas hay en cada mitad. Ese número no es fijo: sube y baja un poco sin parar. Son las fluctuaciones. Aun así, con muchas moléculas casi siempre hay prácticamente la mitad en cada lado, y ver todas juntas en un lado es tan improbable que en la práctica no ocurre nunca.
El sistema más sencillo: un gas ideal
Para empezar con algo manejable, tomamos un gas formado por moléculas todas iguales, como el argón (Ar) o el nitrógeno (N₂).
Si el gas está diluido, hay pocas moléculas por unidad de volumen. Entonces están, de media, muy separadas unas de otras, y la fuerza entre ellas es muy pequeña.
Si además el gas está bastante diluido, la distancia media entre moléculas es mucho mayor que su longitud de onda de De Broglie (la escala a la que se notan los efectos cuánticos). Entonces podemos olvidarnos de la mecánica cuántica y tratar las moléculas como bolitas clásicas: cada una sigue su trayectoria y podemos distinguirlas, como si llevaran un número pintado. Más adelante en la asignatura se estudia con detalle cuándo es válida esta aproximación.
Un gas aislado, filmado
Tenemos moléculas de gas ideal dentro de una caja. Para que el caso sea lo más sencillo posible, suponemos dos cosas:
- La caja está aislada: no intercambia nada con el exterior.
- Lleva mucho tiempo sin que nadie la toque.
Ahora imaginamos una cámara capaz de filmar las moléculas sin alterar su movimiento. La película es una serie de fotos tomadas cada cierto tiempo fijo, que llamaremos . La foto número corresponde al instante .
Si proyectamos la película, cada molécula avanza en línea recta, choca con otra o con una pared, cambia de dirección y vuelve a avanzar en línea recta. Todo sigue las leyes de la mecánica, pero con muchas moléculas el resultado parece un caos.
Dividimos la caja en dos mitades
En vez de seguir cada molécula, nos fijamos en algo mucho más sencillo: cuántas hay en cada mitad. Partimos la caja por la mitad con una pared imaginaria, que las moléculas atraviesan libremente, y llamamos
- al número de moléculas en la mitad izquierda,
- al número de moléculas en la mitad derecha.
Como cada molécula está en una de las dos mitades,
Por simetría esperamos , pero solo aproximadamente. Mientras las moléculas se mueven, unas entran en la mitad izquierda y otras salen, así que cambia de una foto a otra.
Que un sistema esté en equilibrio no significa que no se mueva nada: significa que sus magnitudes fluctúan alrededor de un valor medio que no cambia con el tiempo.Juega con la app. Arriba hay dos cajas con un número distinto de moléculas. Debajo, la gráfica registra en cada foto la fracción de cada caja: la línea discontinua marca . Cuando todas las moléculas de una caja coinciden en la mitad izquierda, esa mitad parpadea en verde.
App interactiva Dos cajas de gas: ¿cuántas moléculas hay en la mitad izquierda?
Prueba a…
- Mira la gráfica con y . ¿Qué línea se separa más de ? ¿Cuántas veces ves que la caja A tiene todas las moléculas a la izquierda, y cuántas la caja B?
- Sube la caja A de 4 a 8 moléculas y luego a 12. Compara en la tabla «todas a la izquierda» con «lo esperado». ¿Cuánto cambia la espera cada vez que añades una molécula?
- Fíjate en la fila «vaivén típico de »: es mayor en la caja B. Ahora mira la de «vaivén típico de »: es menor en la caja B. ¿Cómo pueden ser ciertas las dos cosas a la vez?
- Pulsa «Todas a la izquierda» y observa qué pasa en las fotos siguientes. Esto lo estudiaremos en el apartado 1.2. Como es una situación preparada a mano, al pulsarlo los recuentos vuelven a cero.
Contar las configuraciones
¿Puede pasar que todas las moléculas estén en la mitad izquierda, es decir, y ? Ninguna ley lo prohíbe. La pregunta es con qué probabilidad ocurre.
Vamos contando:
- 1 molécula: puede estar a la izquierda o a la derecha. Son 2 configuraciones.
- 2 moléculas: por cada posición de la primera, la segunda tiene 2 opciones. Son configuraciones: II, ID, DI y DD.
- 3 moléculas: por cada una de las 4 anteriores, la tercera tiene 2 opciones. Son .
- moléculas: cada molécula duplica el número de configuraciones. Son en total.
Para que cada configuración tenga la misma probabilidad hacen falta dos condiciones:
- Las dos mitades tienen el mismo volumen y son equivalentes, así que cada molécula tiene la misma probabilidad de estar en cualquiera de las dos.
- La posición de una molécula no depende de dónde estén las demás. Esto es cierto si el volumen que ocupan las propias moléculas es despreciable frente al de la caja: una mitad nunca está «llena».
La probabilidad de que todas estén en un lado
De esas configuraciones, solo una tiene todas las moléculas a la izquierda: «I I I … I». Si filmamos durante mucho tiempo, de media solo una de cada fotos las mostrará así.
La probabilidad cae a la mitad con cada molécula que añadimos. Para hacerse una idea:
| Configuraciones | ||
|---|---|---|
| 1 | 2 | |
| 4 | 16 | (1 de cada 16 fotos) |
| 10 | 1024 | |
| 40 | ||
En la última fila usamos , de modo que : un 1 precedido de treinta trillones de ceros.
En un gas real, con del orden de o más, es tan pequeña que la situación «todas en un lado» no se observa jamás, aunque esté permitida.
Fluctuaciones absolutas y fluctuaciones relativas
El libro compara dos simulaciones de ordenador: una con 4 partículas y otra con 40. Muestra quince fotos seguidas de cada una y registra en cada foto.
- Con 4 partículas, toma todos los valores posibles, de 0 a 4. En quince fotos aparecen varias con todas las partículas en un mismo lado. La fracción salta entre 0 y 1.
- Con 40 partículas, se queda entre 16 y 23 en esas quince fotos, y la fracción entre 0,4 y 0,575 aproximadamente. Nunca se acerca a 0 ni a 1.
Aquí hay un detalle sutil, el mismo de la pregunta 3 de la app. Si miramos el número , con 40 partículas se aparta de la media unas pocas moléculas cada vez, más que con 4. Pero si miramos la fracción , con 40 se aparta mucho menos de .
Al crecer , la fluctuación de crece, pero más despacio que ; por eso la fluctuación relativa de se hace cada vez más pequeña.Ejemplo del libro, paso a paso
Cuatro moléculas en una caja
Una caja dividida en dos mitades iguales contiene moléculas de un gas ideal en equilibrio, numeradas del 1 al 4.
- ¿Cuántas configuraciones hay?
- ¿Cuántas configuraciones corresponden a cada valor de (moléculas a la izquierda), y con qué probabilidad sale cada valor?
- Compara el resultado con las 15 fotos de la simulación del libro, en las que valió, por orden: 2, 1, 1, 3, 4, 4, 3, 3, 2, 2, 2, 0, 0, 2, 2.
Basado en el ejemplo de Reif, sección 1.1.
Contamos todas las configuraciones
Cada molécula tiene 2 opciones, izquierda o derecha, así que hay configuraciones.
Empezamos por una sola molécula: está en la mitad izquierda (I) o en la derecha (D).
Principio de multiplicación: si una elección se hace de maneras y, por cada una de ellas, otra se hace de maneras, las dos juntas se hacen de maneras. Lo aplicamos molécula a molécula, porque la opción de cada una no depende de las demás.
Multiplicar un número por sí mismo varias veces es una potencia: cuatro doses multiplicados son .
Agrupamos las configuraciones según n
Para que haya moléculas a la izquierda, solo hay que elegir cuáles son. El número de maneras de elegirlas es el número combinatorio («4 sobre », que se define justo debajo):
| (izquierda) | (derecha) | Configuraciones | Probabilidad |
|---|---|---|---|
| 4 | 0 | 1 | |
| 3 | 1 | 4 | |
| 2 | 2 | 6 | |
| 1 | 3 | 4 | |
| 0 | 4 | 1 |
Contar las configuraciones con 3 a la izquierda es lo mismo que contar las que tienen exactamente 1 a la derecha, porque .
Basta con decidir qué molécula está sola a la derecha: la 1, la 2, la 3 o la 4. Son 4 maneras. Cada letra indica dónde está la molécula 1, 2, 3 y 4, por orden.
En general, el número de maneras de elegir objetos de entre sin importar el orden es el número combinatorio « sobre ». Aquí, (factorial de ) es , y por convenio .
Escribimos los factoriales enteros. El del final de es igual a uno de los de abajo, así que se tachan: dividir algo entre sí mismo da 1.
Comprobación: entre todas las filas tienen que salir las 16 configuraciones del paso anterior, porque cada configuración tiene un único valor de .
Como las 16 configuraciones son igual de probables, la probabilidad de un valor de es la fracción de configuraciones que lo dan (regla de Laplace: casos favorables entre casos posibles). Simplificamos dividiendo arriba y abajo por 2.
Comparamos con la película del libro
En 15 fotos, el número esperado de fotos con cada es :
| Esperado en 15 fotos | Observado | |
|---|---|---|
| 4 | 2 | |
| 3 | 3 | |
| 2 | 6 | |
| 1 | 2 | |
| 0 | 2 |
El valor más frecuente es , como se esperaba. Las diferencias con lo esperado son normales con tan pocas fotos.
Si algo ocurre con probabilidad , en intentos independientes ocurre de media veces. «De media» quiere decir que, repitiendo muchas películas de 15 fotos, el promedio se acercaría a ese número.
Para : multiplicamos el numerador por 15 y dividimos entre 8.
Comprobamos que hemos contado bien las fotos observadas: suman 15.
Las fotos con todas en un mismo lado ( o ) salen más que lo esperado. Con solo 15 fotos, el azar pesa mucho, y además fotos seguidas se parecen entre sí. Con muchas más fotos, la fracción observada se acercaría a . En la app puedes comprobarlo con la caja A en : la fila «Todas en un lado» se acerca a fotos/8.
Solución
Hay configuraciones. Los valores salen con probabilidades . El reparto equilibrado () es el más probable. La película de 15 fotos lo confirma, con las desviaciones esperables en una muestra tan pequeña.
Un ejemplo nuevo: ¿cuánto hay que esperar?
Supongamos una cámara rapidísima que hace un millón de fotos por segundo, una cada microsegundo (). ¿Cuánto tendríamos que filmar, de media, para ver una foto con todas las moléculas en la mitad izquierda?
Cuarenta moléculas y una cámara rapidísima
Una caja contiene moléculas de un gas ideal en equilibrio. Se hace una foto cada microsegundo. Calcula, sin calculadora y de forma aproximada, cuánto hay que esperar de media hasta ver una foto con las 40 moléculas en la mitad izquierda.
Probabilidad en cada foto
Solo una de las configuraciones tiene todas las moléculas a la izquierda, y todas son igual de probables.
De la probabilidad a la espera media
Si algo ocurre en una fracción de las fotos, de media ocurre una vez cada fotos. Hay que esperar unas fotos.
Si en fotos el suceso ocurre unas veces, para que ocurra una vez hace falta que , es decir, . Dividir entre una fracción es multiplicar por su inversa.
Calculamos 2⁴⁰ sin calculadora
Es el truco más útil para potencias de 2 sin calculadora: diez doses multiplicados dan casi exactamente mil. El error es solo del .
Propiedad de las potencias: . Agrupamos los 40 doses en 4 paquetes de 10.
La misma propiedad, al revés: se multiplican los exponentes.
Como cada es un mayor que , el valor exacto es algo mayor: .
Pasamos a días
Con el valor exacto, días.
Multiplicamos por un factor de conversión que vale 1 (un microsegundo es una millonésima de segundo). Las unidades se tachan entre sí, y al multiplicar potencias de 10 se suman los exponentes: .
Un día tiene 24 horas, cada hora 60 minutos y cada minuto 60 segundos.
Los segundos se tachan y queda un resultado en días. Del orden de dos semanas filmando sin parar.
Solución
Con 40 moléculas y una foto cada microsegundo, hay que esperar de media unos 12 o 13 días para ver todas las moléculas en la mitad izquierda. Con 80 moléculas, la espera ya supera la edad del universo.
Ejercicio tipo examen
Seis moléculas en una caja
Una caja contiene moléculas de un gas ideal en equilibrio. El volumen propio de las moléculas es despreciable.
- Si la caja se divide en dos mitades iguales, ¿cuántas configuraciones hay?
- ¿Cuál es la probabilidad de que las 6 estén en la mitad izquierda?
- ¿Y de que las 6 estén en una misma mitad, sea cual sea?
- ¿Cuál es la probabilidad de que haya exactamente 3 moléculas en cada mitad?
- Si en vez de dividir la caja por la mitad se separa una parte izquierda que ocupa un tercio del volumen, ¿cuál es la probabilidad de que las 6 moléculas estén en ella?
Número de configuraciones
Cada molécula tiene 2 opciones independientes. Por el principio de multiplicación, el total es el producto.
Para calcularlo de cabeza partimos el exponente: .
Todas en la mitad izquierda
Solo hay una configuración favorable, «I I I I I I», entre 64 igual de probables (regla de Laplace).
Otra forma de verlo: cada molécula está a la izquierda con probabilidad , independientemente de las demás. Para sucesos independientes, la probabilidad de que ocurran todos es el producto de sus probabilidades.
Todas en una misma mitad
Son dos casos que no pueden darse a la vez (sucesos incompatibles). Cuando dos sucesos son incompatibles, la probabilidad de que ocurra uno u otro es la suma de sus probabilidades.
Sumamos fracciones con el mismo denominador y simplificamos dividiendo arriba y abajo por 2.
Exactamente 3 en cada mitad
Hay que elegir cuáles 3 de las 6 moléculas van a la izquierda; las otras 3 quedan a la derecha. El número de elecciones es el número combinatorio.
Escribimos entero. Su parte final, , es igual a uno de los de abajo, y se tacha.
Como , el 6 de arriba se anula con el de abajo.
Casos favorables (20) entre casos posibles (64), simplificando por 4. Aunque es el reparto más probable, sale menos de una de cada tres veces: con 6 moléculas los repartos desequilibrados son frecuentes.
Una parte que ocupa un tercio del volumen
Llamamos al volumen de la caja y a la probabilidad de que una molécula concreta esté en la parte izquierda, que ocupa . Ahora las dos partes no son iguales, así que ya no vale contar configuraciones como si fueran igual de probables. Lo que sigue siendo cierto es que una molécula está en una región con probabilidad proporcional a su volumen, porque cualquier punto de la caja es igual de probable.
Como el volumen propio de las moléculas es despreciable, la posición de cada una no depende de las demás: multiplicamos las 6 probabilidades.
Para calcular sin calculadora, y . La probabilidad es mucho menor que , porque la región es más pequeña.
Solución
- Hay configuraciones.
- La probabilidad de que las 6 estén a la izquierda es .
- La de que estén todas juntas en una misma mitad es .
- La de un reparto exacto 3 y 3 es .
- La de que estén todas en un tercio del volumen es .