Simulador de Teoría cinético-molecular

⚛️ Laboratorio de Teoría Cinético-Molecular

Explora a fondo la teoría cinético-molecular de los gases con este simulador interactivo. Visualiza la distribución de Maxwell-Boltzmann, observa cómo cambian las gráficas de velocidad molecular y la energía cinética.

➡️ Si lo tuyo es la química, también puedes experimentar con el simulador de concentración y solubilidad química.

🔗 Categoría: Física | Termodinámica ↗️
🎓 Nivel educativo: Bachillerato
⚙️ Dificultad: Dificil (7/10)
📈 Visitas: 136

Categoría Física > Termodinámica

Nivel educativo Bachillerato

Dificultad Dificil (7/10)

📎 Código para incrustar

¿Eres profe, divulgador o webmaster?
Puedes incrustar esta simulación en tu web o blog sin problema.

Solo pedimos dos cosas básicas:

✅ Que cites la fuente: AulaQuest.com
🚫 Que no la uses con fines comerciales

Este es el código que puedes copiar:

<iframe
  src="https://aulaquest.github.io/simulacion-teoria-cinetico-molecular/"
  width="100%"
  height="560"
  style="border: 1px solid #ccc; border-radius: 8px;"
  allowfullscreen
  title="Simulación teoría cinético.molecular Aulaquest"></iframe>

Explorando la Teoría Cinético-Molecular

Hola, a todos los estudiantes de Aula Quest. Hoy vamos a meternos de lleno con la teoría cinético-molecular. Y lo mejor es que tenemos una simulación interactiva que se puede usar mientras escuchamos.

Es genial poder tocar la física. Vamos a ver qué se cuece ahí dentro. Hola, pues sí, es una herramienta fantástica.

La idea es conectar ese mundo invisible de las partículas, que se mueven a lo loco, con lo que sí podemos medir: la presión, la temperatura... Claro.

Y en la simulación se ven los controles, ¿no? Para añadir partículas, las azules ligeras, las rojas pesadas, calentar con el fuego, enfriar con el hielo, incluso quitar la tapa.

Exacto, es un puente entre lo micro y lo macro. Los parámetros clave que observamos son la presión $P$, que viene de los choques, el volumen $V$, el espacio, que aquí es fijo...

...la temperatura $T$, que en el fondo mide cómo de rápido se mueven de media las partículas, su energía cinética promedio, y claro, el número de partículas, $N$.

Oye, una cosa que he visto es que se puede cambiar entre 2D y 3D. Aparte de que se vea distinto, ¿cambia algo importante? Buena observación. Sí, sí que cambia. Cambia algo fundamental: los grados de libertad.

A ver cómo lo explico. Son como las maneras que tiene una partícula de moverse y de guardar energía. En 3D, pues tienen más opciones, ¿sabes? Puede moverse en más direcciones, rotar de más formas...

Y eso afecta a cómo se relaciona la energía cinética media, $E_k$, con la temperatura $T$. De forma simple: en 2D, $E_k$ es $k_B T$. Pero en 3D es $\frac{3}{2} k_B T$. $$ E_k = k_B T \quad (\text{en 2D}) $$ $$ E_k = \frac{3}{2} k_B T \quad (\text{en 3D}) $$

La $k_B$ es la constante de Boltzmann, un número clave. Lo importante es que, para una misma temperatura, en 3D las partículas tienen de media más energía, porque tienen más "sitios" donde guardarla.

Vale, vale, pillado. O sea, más dimensiones, más energía a la misma $T$. Y hablando de energía, he hecho una prueba. Calentar unas 100 partículas a 500 Kelvin y luego quitar la tapa hasta que se escape la mitad, más o menos.

Y resulta que la temperatura del gas que queda dentro baja. ¿Por qué? ¿Si se van partículas calientes? Ah, eso es el enfriamiento por evaporación. Es pura estadística.

Piensa, ¿qué partículas tienen más probabilidades de llegar a la tapa abierta y escapar? Pues... las que van más rápido, ¿no? Exacto. Las que tienen más energía cinética.

Si se van precisamente las más energéticas, la energía media de las que se quedan, pues tiene que bajar. Y como la temperatura mide esa energía media... la temperatura baja.

Claro. Es justo lo que pasa cuando salimos mojados de la piscina y sentimos frío. El agua se evapora, llevándose las moléculas más energéticas, y nos quita calor. No es solo un truco de la simulación, es un principio físico real.

Un proceso aleatorio, que escapen partículas, tiene una consecuencia clara a gran escala: enfriar. Qué bueno. Y eso de que no todas van igual de rápido, me lleva a otra cosa del modo avanzado: la gráfica de distribución de velocidades de Maxwell-Boltzmann.

Se ve que hay velocidades muy distintas. Efectivamente, esa gráfica es súper importante. Muestra cuántas partículas van a cada velocidad. Verás un pico, que es la velocidad más probable.

Luego está la velocidad media y otra muy útil, la velocidad cuadrática media, $v_{rms}$, que se relaciona directamente con la energía cinética total. ¿Y la forma de la gráfica cambia?

Claro. Si calientas, la curva se aplana y se ensancha hacia velocidades mayores. Lógico, van más rápido en promedio. Y si pones partículas más pesadas, las rojas, a igual temperatura, la curva se agrupa en velocidades más bajas. También lógico, son más lentas.

Entendido. Y también en avanzado he visto que compara dos presiones: la teórica y la cinética. Sí, eso es fascinante. La teórica sale de la ley de los gases ideales, la famosa $PV = N k_B T$. $$ PV = N k_B T $$

Una fórmula para el conjunto. La cinética, en cambio, se calcula midiendo los choques reales de las partículas simuladas contra las paredes. Es el resultado directo del caos. Y lo increíble es...

...que la presión cinética, con todas sus fluctuaciones, baila justo alrededor del valor teórico constante que predice la ley. Es una pasada ver cómo las leyes estadísticas surgen del comportamiento caótico de muchísimas partículas individuales.

Entonces, para ir resumiendo, esta simulación nos permite ver la teoría en acción, ¿verdad? Hace tangibles las ideas. Animo a la gente a que siga jugando con ella, a cambiar $N$, $T$, probar 2D y 3D.

Y un último detalle, para quienes exploren a fondo el modo avanzado. Hay un botón que parece magia: Normalizar gráfica. Lo que hace es cambiar la escala del eje de velocidad.

En lugar de mostrar la velocidad tal cual, la divide por la $v_{rms}$ de ese gas concreto. ¿Y qué pasa al normalizar? Pues que todas esas curvas de distribución que antes eran distintas para gases ligeros, pesados, a diferentes $T$...

¡Pum! Colapsan todas en una única curva universal. ¡Ostras! ¿En serio? Sí, sí. Es una demostración visual potentísima de una verdad estadística profunda.

Nos dice que si ajustamos la escala correctamente, el comportamiento fundamental de todos los gases ideales es el mismo. Hay leyes universales debajo de todo.

Una idea muy potente, sí señor, para darle vueltas. Bueno, pues a seguir experimentando con la simulación. Hasta la próxima exploración.

Una guía completa para nuestro simulador de teoría cinético-molecular y la distribución de Maxwell-Boltzmann.

¿Cuál es el objetivo de este simulador y cómo se usa?

Este laboratorio virtual es un simulador de la teoría cinética de los gases diseñado para visualizar los principios fundamentales que rigen el comportamiento de la materia a nivel molecular. Su objetivo es conectar el movimiento caótico e invisible de las partículas con las propiedades macroscópicas que medimos, como la presión y la temperatura.

Controles Principales:

Añadir Partículas: Usa los botones `+1` y `+10` para inyectar partículas ligeras (azules, menor masa) o pesadas (rojas, mayor masa) en el recipiente.
Controlar Temperatura: Mantén pulsados los botones 🔥 (calentar) o 🧊 (enfriar) para modificar la energía cinética media del sistema.
Abrir Tapa: Arrastra el tirador superior para dejar escapar partículas. Esto te permitirá observar el fenómeno de enfriamiento por evaporación.
Cambiar Dimensión: Alterna entre un modelo físico de 2D y 3D. Verás cómo todas las fórmulas teóricas se ajustan automáticamente.
Modo Avanzado: Actívalo para desbloquear herramientas de análisis, gráficas en tiempo real y parámetros físicos detallados para un estudio más profundo.

¿Qué significan los parámetros principales (P, V, T, N)?

Estos son los cuatro parámetros macroscópicos que describen el estado de un gas ideal. Este simulador de gases ideales te permite ver cómo se relacionan entre sí.

Presión (P): Es la fuerza por unidad de área que las partículas ejercen al chocar contra las paredes del recipiente. La medimos en atmósferas (atm) o kilopascales (kPa).
Volumen (V): Es el espacio tridimensional que ocupa el gas, medido en litros (L). En nuestra simulación, el volumen es constante.
Temperatura (T): Es una medida directa de la energía cinética media de todas las partículas. A más temperatura, más rápido se mueven. Se mide en Kelvin (K).
Número de partículas (N): Es la cantidad total de partículas (átomos o moléculas) dentro del recipiente.

¿Cuál es la diferencia entre los modos 2D y 3D?

La dimensión en la que se mueve un gas cambia sus propiedades fundamentales. La simulación adapta todas sus ecuaciones para ser físicamente correcta en cada modo. La diferencia clave son los grados de libertad (las direcciones en las que una partícula puede moverse y almacenar energía).

Temperatura y Energía Cinética Media (⟨Eₖ⟩)

Relaciona la temperatura (T) con la energía promedio de las partículas, usando la constante de Boltzmann (kₒ).

En 2D (2 grados de libertad): ⟨Eₖ⟩ = kₒ T
En 3D (3 grados de libertad): ⟨Eₖ⟩ = ³/₂ kₒ T

Como ves, a la misma temperatura, las partículas en un gas 3D tienen más energía cinética media. Todas las demás fórmulas (velocidades, presión cinética) se derivan de esta relación.

¿Qué es la distribución de velocidades de Maxwell-Boltzmann?Avanzado

La distribución de Maxwell-Boltzmann es una de las ideas más importantes de la física estadística. Describe cómo se reparten las velocidades entre las partículas de un gas a una temperatura determinada. No todas las partículas se mueven a la misma velocidad: unas son muy lentas, otras muy rápidas, y la mayoría se agrupan en torno a un valor central.

La gráfica de "Distribución de Velocidad" te muestra esta distribución en tiempo real. La forma de esta curva depende de la temperatura y la masa de las partículas.

Velocidades Notables

Hay tres velocidades clave para caracterizar esta distribución:

Velocidad más probable (vₚ): Es la velocidad que tiene el mayor número de partículas (el pico de la gráfica).
Fórmula 3D: vₚ = √(2kₒT / m)
Fórmula 2D: vₚ = √(kₒT / m)
Velocidad media (v̄): Es el promedio aritmético de todas las velocidades de las partículas.
Fórmula 3D: v̄ = √(8kₒT / πm)
Fórmula 2D: v̄ = √(πkₒT / 2m)
Velocidad cuadrática media (vᵣₘₛ): Es la raíz cuadrada del promedio de las velocidades al cuadrado. Está directamente relacionada con la energía cinética del gas.
Fórmula 3D: vᵣₘₛ = √(3kₒT / m)
Fórmula 2D: vᵣₘₛ = √(2kₒT / m)

¿Qué son la Presión Teórica y la Cinética?Avanzado

Esta es la conexión clave entre el mundo macroscópico y el microscópico.

Presión Teórica: Se calcula con la Ley de los Gases Ideales (PV = NkₒT), usando los valores generales del sistema (N, V, T). Es una predicción estadística perfecta y estable.
Presión Cinética: Se calcula a partir de la energía cinética media real y medida de las partículas en la simulación. Su fórmula depende de la dimensión y la densidad (ρ):
- En 2D: P = ½ ρ⟨v²⟩
- En 3D: P = ⅓ ρ⟨v²⟩

Lo fascinante es ver cómo la Presión Cinética, que emerge del caos de las colisiones, fluctúa siempre alrededor del valor teórico predicho, demostrando que la teoría funciona.

¿Por qué la temperatura baja al abrir la tapa?

Este fenómeno se conoce como enfriamiento por evaporación. Al abrir la tapa, las partículas que tienen más energía (las más rápidas) son las que tienen más probabilidades de alcanzar la apertura y escapar.

Al abandonar el sistema las partículas más energéticas, la energía cinética media del resto de partículas que quedan dentro disminuye. Como la temperatura del sistema se calcula a partir de esta energía media, la temperatura total del gas desciende. ¡Es el mismo motivo por el que sentimos frío al salir mojados de la piscina!

Prueba en el simulador:

1. Añade unas 100 partículas y caliéntalas a 500 K. Fíjate en la temperatura.
2. Arrastra la tapa para abrirla completamente y deja que escapen la mitad de las partículas.
3. Observa cómo la temperatura en el panel ha descendido significativamente.

¿Qué significa "Normalizar Gráfica"? (¡El Momento WOW!)Avanzado

La normalización es uno de los conceptos más potentes de la física estadística. Normalmente, las curvas de distribución de velocidad para gases ligeros (rápidos) y pesados (lentos) están muy separadas.

Al pulsar "Normalizar Gráfica", el eje X deja de medir la velocidad en m/s y pasa a medir una magnitud adimensional: v / vᵣₘₛ (la velocidad de cada partícula dividida por la velocidad RMS del conjunto).

Al hacer esto, ocurre algo asombroso: las dos curvas, que antes eran muy diferentes, colapsan y se superponen casi perfectamente en una única curva universal. Esto demuestra visualmente que, a nivel estadístico, todos los gases se comportan de la misma manera si su velocidad se escala respecto a su propia velocidad característica.

Zona de Actividades de tu Profesor

Introduce la clave de acceso que te ha proporcionado tu profesor para cargar la actividad y comenzar a trabajar.

Simulaciones en Química

Química

Simulador de Teoría cinético-molecular