¿Qué es un Microestado en Química?

¿Qué es un microestado en química?

En química, una definición simple de microestado es la disposición de átomos o moléculas en un solo instante. Los microestados son importantes porque arrojan luz sobre la naturaleza del mundo cuántico, o lo muy pequeño. Comprender los posibles arreglos, la aleatoriedad y la dispersión de la materia ayuda a predecir mejor la materia. Los microestados contrastan con los macroestados. Micro se refiere a lo muy pequeño, mientras que macro se refiere a la escala más grande. Un macroestado describe con precisión un sistema a través de la medición de un conjunto completo de materia (por ejemplo, temperatura, presión, densidad y volumen). Por ejemplo, un trozo de hielo podría tener el macroestado de -5 °C, que describe la cantidad promedio de energía cinética entre todas las moléculas que forman el trozo de hielo. El microestado del trozo de hielo describiría una instantánea de las posiciones, arreglos y velocidades de todas las moléculas de agua en el hielo en un momento dado. Esencialmente, los microestados describen instancias únicas de macroestados. Sin embargo, ubicación y cantidad de movimiento son términos utilizados en la mecánica clásica. En la mecánica cuántica, las moléculas y los átomos solo se describen en términos de niveles de energía y funciones de probabilidad.

Esta imagen muestra esferas que representan átomos en un gas en un cierto arreglo con ciertas velocidades.

Microestado vs. Macroestado

Como se mencionó anteriormente, microestado y macroestado son descripciones diferentes para un sistema de partículas. Los macroestados describen el estado de una gran cantidad de materia como una sola unidad, como el ejemplo anterior de la temperatura de un trozo de hielo. Los microestados describen una sola instancia de circunstancias de todos los átomos o moléculas individuales dentro de un sistema masivo. Mientras que los microestados se describen por los niveles de energía de cada electrón, átomo o molécula, los macroestados describen la temperatura, la presión, el volumen o la densidad. Un macroestado es la propiedad emergente de un microestado. Sin embargo, un macroestado solo está en un microestado en un instante.

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Relación entre entropía y microestados

La entropía es un macroestado y una medida de la dispersión de la energía y cuán dispersa o desorganizada está en relación con la temperatura de un sistema de materia. La entropía también se describe como la cantidad de energía térmica presente en un sistema por unidad de temperatura. Un sistema más grande en un macroestado particular puede tener una mayor cantidad de microestados que son accesibles o posibles dentro de ese sistema dado. Es decir, un sistema de partículas a una temperatura determinada puede tener sus moléculas o átomos dispuestos de muchas maneras diferentes. Además, la energía se puede dispersar a lo largo de cada molécula o átomo en diferentes cantidades dependiendo del número de partículas en el sistema.

Un sistema con una menor cantidad de partículas que está a la misma temperatura que un sistema con una mayor cantidad de partículas tendrá menos energía térmica en comparación con el sistema más grande. Aunque los sistemas tienen la misma temperatura, la temperatura es una medida de un promedio. Además, cuanto más grande es el sistema, más microestados o arreglos posibles son accesibles para el sistema a una temperatura determinada. Por lo tanto, cuanto mayor o mayor sea el sistema, más microestados posibles accesibles por el sistema durante un macroestado dado. Además, cuanto mayor sea el número de microestados accesibles disponibles para un sistema a una temperatura dada, mayor será la entropía o dispersión del sistema a esa temperatura. En pocas palabras, cuantos más microestados, mayor es la entropía. Por lo tanto, la entropía está correlacionada con los microestados. Por lo tanto, los microestados se pueden usar como una medida de la entropía. Y así, la entropía no solo se puede describir en términos mecánicos clásicos como temperatura, presión, etc., sino también en el término mecánico cuántico de microestados.

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Número de microestados

Se puede calcular el número de microestados accesibles de un sistema en un macroestado determinado. El número de microestados puede ayudar a determinar la entropía del sistema. Cada microestado debe tener la misma energía igual a la energía del macroestado general. Esto se expresa en la siguiente fórmula:

S = k_B ln W

Dentro de la fórmula, S es el valor de la entropía medida en julios por mol en un momento dado. k_B representa la constante de Boltzmann de 1,38 x 10^–²³ julios por grado kelvin. Por último, W representa el número de microestados.

Ejemplos de microestados

Para determinar el número de microestados, es necesario conocer la entropía del sistema. Los microestados, por lo tanto, ayudan a comprender la naturaleza de la entropía y arrojan más luz sobre la noción que simplemente describir su macroestado. Algo llamado Tablas de estado estándar enumera la entropía de las sustancias que se han determinado previamente a través de experimentos, durante los cuales las sustancias se calientan de 0°K a 298°K.

Por ejemplo, las tablas de estado estándar indican que el agua a 273 °K tiene un valor de entropía de 41,3 julios por grado Kelvin por mol. Los valores se pueden conectar a la fórmula:

41,3 J/K \cdot mol =(1,4 \cdot 10^{-23} J/K) ln W

Lo que resulta de esto es un gran número; un número tan grande que ni siquiera tiene nombre. Por ejemplo, un googol se considera un número absurdamente grande, pero solo es igual a {eq}10^{100} {/eq}. Sin embargo, el agua en el macroestado de 273°K tiene {eq}10^{1,299,000,000,000,000,000,000,000} {/eq} microestados accesibles. El número es tan grande que si uno escribiera el número completo y enumerara un dígito cada segundo, tomaría 2.471.461.187.214.611.872 años. Además, la hoja de papel tendría que tener años luz de largo.

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Resumen de la lección

Los microestados son los estados de energía específicos y la disposición de las moléculas o átomos en un sistema en un instante dado. Los microestados son esencialmente instantáneas de los macroestados . Un macroestado describe con precisión la presión, densidad, volumen, temperatura, etc. de un sistema completo. Todos los microestados accesibles para un macroestado dado tienen la misma cantidad de energía que la mayor parte de la materia descrita por el macroestado.

La entropía de un sistema se puede describir de dos maneras. Uno es el nivel de energía dispersada a través de un sistema relativo a la temperatura del sistema. Otra forma de pensar sobre la entropía es el nivel de desorganización o aleatoriedad en la disposición de las partículas. Sin embargo, la entropía puede entenderse con mayor precisión como una medida del número de microestados accesibles de un sistema. Cuanto mayores son los microestados accesibles de un sistema, mayor es su entropía.

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