Simulador de un gas ideal, en un campo gravitatorio uniforme, sin transmisión de calor con las paredes del recinto salvo si se activa "suelo caliente", con choques totalmente elásticos y opción de enfriamiento por radiación (proporcional a la velocidad ^2).
Con este simulador podemos poner a prueba el debate entre Lochsmitht y Maxwell:
Maxwell y Boltzmann, partiendo de los principios de la termodinámica clásica y la estadística, defendieron que en equilibrio térmico, la temperatura debe ser uniforme en todo el sistema, incluso en presencia de un campo gravitatorio.
Loschmidt, más intuitivo y menos estadístico, argumentó que:
Las moléculas más altas, al estar en una región de mayor energía potencial gravitatoria, deberían tener menor energía cinética media, para que la energía total promedio sea la misma en todo el sistema.
Por tanto, la temperatura debería disminuir con la altura incluso en equilibrio.
En resumen, Loschmidt defendía la idea de un gradiente de temperatura en equilibrio, lo que parecería implicar que el gas está más frío en lo alto y más caliente abajo sin transferencia neta de calor, algo que desafiaría el segundo principio de la termodinámica.
Si Loschmidt tuviera razón, podrías construir una máquina térmica perpetua que extrajera calor del fondo más caliente y lo enviara a la cima más fría, generando energía infinita → violación del segundo principio.
El debate todavía persiste en estos tiempos.
La visión de Maxwell y Boltzmann fue confirmada:
El equilibrio térmico implica temperatura uniforme.
Lo que cambia con la altura es la densidad, no la temperatura.
La energía potencial gravitatoria no influye en la temperatura media cinética en equilibrio.
La Tierra NO está en equilibrio térmico global, porque:
Hay un flujo de energía constante desde el Sol.
Los gradientes térmicos observados (gradiente adiabático) son procesos dinámicos, no de equilibrio.
En equilibrio puro (hipotético, sin flujo solar, sin movimiento) toda la atmósfera tendría la misma temperatura, aunque la densidad decreciera exponencialmente con la altura.
En la simulación con suelo caliente y enfriamiento por radiación de la atmósfera se forma una estructura de temperatura decreciente con la altura.