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Ignacio CrespoFrancis VillatoroBorja TosarHéctor SocasGastón GiribetJosé Edelsteinmovimiento browniano partículas polenpartícula polen choques moléculas aguabaño térmico sistema macroscópico propiedadestermodinámica estadística sistemas microscópicostermodinámica estocástica física estadísticatemperatura entropía átomo individualtrayectoria átomo interacción baño térmicofrancis villatoro termodinámica estocásticatermodinámica siglo xix fenomenológicacalor partícula trayectoria aleatoriacalor gas sistema macroscópicoFrancis VillatoroMaxwellHéctor Socassiglo XIXsiglo XXAlbert Einsteinsiglo XXIdécada de 1990NatureSegunda Guerra Mundial
Termodinámica y Física estadística
Con
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Francis Villatoro explica el origen de la termodinámica estocástica, una rama de la física estadística que aplica conceptos como temperatura y entropía al comportamiento de átomos individuales.
…se te ponen una escala de tiempo muy muy corta y así ves trayectorias continuas y diferenciables entre puntos de colisiones en los que la trayectoria deja de ser continua y diferenciable. Entonces, ¿podemos extender las ideas básicas y los conceptos básicos? ¿De la termodinámica estadística a los sistemas que se mueven, microscópicos, que se mueven en una trayectoria de tipo browniana, de tipo proceso estocástico, de tipo caminolatorio? Esa pregunta se plantea ya a principios del siglo XX y se plantea desde el punto de vista de: ¿por qué esa partícula broniana se mueve de manera irregular? ¿Por qué esa pequeña polen, pequeña partícula de polen en el agua se mueve de manera irregular por culpa de los choques de las moléculas de agua contra esa partícula de polen? Porque ahí la partícula está en un baño térmico, hay un entorno, está rodeada de un sistema que sí es macroscópico y sí me permite definir estas propiedades, calor, trabajo, etc. Entonces el baño térmico es el responsable del movimiento irregular de esta partícula pero además me permite extender esos conceptos. Al comportamiento de la partícula y así nació una rama de la termodinámica, de la física estadística, de la termodinámica que se llama la termodinámica estocástica. La termodinámica estocástica pretende usar conceptos como temperatura, calor, entropía, energía libre, trabajo, pero aplicado a una trayectoria. Es decir, a un átomo le aplicamos el concepto de calor, pero en realidad lo que estamos es aplicando un concepto equivalente al calor a la trayectoria que sigue ese átomo cuando está interaccionando con un baño térmico. Entonces, esto a principios del siglo XX era como la Termodinámica a principios del siglo XIX. Todo esto eran palabras, maneras fenomenológicas de entender resultados observacionales, pero no había una base realmente matemática, rigurosa, que nos explicara cómo extender estos conceptos. Porque ya os digo, el calor aplicado a una partícula que sigue una trayectoria más o menos aleatoria, un camino aleatorio, pues realmente es una cosa muy diferente al calor en un gas o en un fluido o en un sistema macroscópico. Entonces, a mitad del siglo XX, sobre todo después de la Segunda Guerra Mundial, empieza a replantearse el tema de revisar lo que ha comentado Héctor: el demonio de Maxwell. El hecho de que haya un sistema microscópico con una capacidad de interaccionar con…
Significado #1 · Palabras #1
Héctor Socas menciona una anécdota sobre el diablillo de Maxwell y plantea su interés en conocer más detalles sobre los desarrollos derivados de la termodinámica de la información.
Habla: Héctor SocasSignificado #2 · Palabras #6diablillo de maxwell anécdota facultadtermodinámica leyes estadísticasmanipulación estadística termodinámicadesarrollos basados en termodinámica informaciónsiglo xix siglo de los motorestermodinámica estudio funcionamiento motoresconceptos termodinámica introducidos intuitivamenteentropía trabajo útil experimentosleyes fenomenológicas termodinámicafísica termodinámica siglo xixestadística descripción probabilística sistemamecánica newtoniana átomos moléculastransferencia energía cinética procesos choqueenergía potencial definición rigurosa magnitudesmecánica newtoniana versus termodinámicatemperatura entropía termodinámica estadísticasistema macroscópico termodinámica estadísticatemperatura átomo concepto termodinámicoentropía átomo sistemas microscópicostermodinámica estadística sistemas macroscópicosalbert einstein estudio sistemas microscópicos…que son más fácilmente digeribles y claro, cosas termodinámicas me preocupa un poco su adaptabilidad para que puedan tener un calado importante pero yo no conocía esto de la termodinámica de la información, Francis, que la información pueda generar trabajo. Tenía claro lo del diablillo de Maxwell que me contaron en la facultad, pero me parecía que era una anécdota curiosa que demuestra que la termodinámica no son leyes fundamentales sino que son leyes estadísticas y que si uno puede manipular la estadística, pues puedes violar las leyes de la termodinámica; pero en función a eso se han desarrollado cosas súper chulas. Me gustaría que nos las contaras. Sí, bueno. Si queréis, empezamos un poquito por la historia de la termodinámica estadística. Que, como sabéis, el siglo XIX fue el siglo de los motores, fundamentalmente motores térmicos, y al principio del siglo XX se creó la termodinámica, que era la rama de la física que estudiaba el funcionamiento de los motores y, en general, de los sistemas macroscópicos, e introducía una serie de conceptos que se introducían de manera intuitiva, conceptos como calor. Como entropía, trabajo útil, energía libre, entalpía, etcétera, etcétera, temperaturas. Eran conceptos intuitivos y se introducía una serie de leyes obtenidas fenomenológicamente a partir de experimentos para describir esos objetos. Fue ya a finales del siglo XIX cuando se descubrió que la termodinámica se podía enmarcar dentro de la física. Estadística que podíamos considerar una descripción probabilística estadística de un sistema macroscópico en equilibrio de tal manera que podíamos asociar al comportamiento promedio de gran número de elementos, por ejemplo átomos, moléculas, etc., en interacción, pues su mecánica newtoniana elemental en procesos de choque, de transferencia de energía cinética y bajo una energía potencial nos permitía describir estas magnitudes y dar una definición rigurosa a estas magnitudes. Esto fue muy polémico y fue necesario la llegada de principios del siglo XX para que se estabilizara y se entendiera. Parecía una locura que la mecánica newtoniana pudiera explicar la termodinámica; parecían cosas completamente diferentes. Hoy en día lo explicamos y parece una cosa súper elemental, pero lo que hay que tener muy claro es que temperatura, entropía, trabajo, energía libre solo son aplicables en termodinámica estadística a sistemas macroscópicos. Necesito un sistema con una enorme cantidad de partículas. Yo no puedo hablar de la temperatura de un átomo o de una molécula. No puedo hablar del calor transferido a un átomo o de la entropía de un átomo, y alguien me dirá pero si el átomo está formado de cosas puedo conseguir; pero en principio no es aplicable los conceptos termodinámicos en termodinámica estadística a este tipo de sistemas microscópicos. La termodinámica es para sistemas macroscópicos, y en la realidad tenemos tres tipos de sistemas: los micro, los meso y los macroscópicos. Entonces ya a principios del siglo XX nos encontramos con el gran genio del principio del siglo XX que es Albert Einstein y que estudia el Movimiento browniano, que es el movimiento de una partícula y es un movimiento extremadamente irregular, es un camino aleatorio; es un proceso estocástico. No es una trayectoria suave, diferenciable y maravillosa como la que concebía Newton o como la que se…
Francis Villatoro explica el origen de la termodinámica estocástica, una rama de la física estadística que aplica conceptos como temperatura y entropía al comportamiento de átomos individuales.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #1movimiento browniano partículas polenpartícula polen choques moléculas aguabaño térmico sistema macroscópico propiedadestermodinámica estadística sistemas microscópicostermodinámica estocástica física estadísticatemperatura entropía átomo individualtrayectoria átomo interacción baño térmicofrancis villatoro termodinámica estocásticatermodinámica siglo xix fenomenológicacalor partícula trayectoria aleatoriacalor gas sistema macroscópico…se te ponen una escala de tiempo muy muy corta y así ves trayectorias continuas y diferenciables entre puntos de colisiones en los que la trayectoria deja de ser continua y diferenciable. Entonces, ¿podemos extender las ideas básicas y los conceptos básicos? ¿De la termodinámica estadística a los sistemas que se mueven, microscópicos, que se mueven en una trayectoria de tipo browniana, de tipo proceso estocástico, de tipo caminolatorio? Esa pregunta se plantea ya a principios del siglo XX y se plantea desde el punto de vista de: ¿por qué esa partícula broniana se mueve de manera irregular? ¿Por qué esa pequeña polen, pequeña partícula de polen en el agua se mueve de manera irregular por culpa de los choques de las moléculas de agua contra esa partícula de polen? Porque ahí la partícula está en un baño térmico, hay un entorno, está rodeada de un sistema que sí es macroscópico y sí me permite definir estas propiedades, calor, trabajo, etc. Entonces el baño térmico es el responsable del movimiento irregular de esta partícula pero además me permite extender esos conceptos. Al comportamiento de la partícula y así nació una rama de la termodinámica, de la física estadística, de la termodinámica que se llama la termodinámica estocástica. La termodinámica estocástica pretende usar conceptos como temperatura, calor, entropía, energía libre, trabajo, pero aplicado a una trayectoria. Es decir, a un átomo le aplicamos el concepto de calor, pero en realidad lo que estamos es aplicando un concepto equivalente al calor a la trayectoria que sigue ese átomo cuando está interaccionando con un baño térmico. Entonces, esto a principios del siglo XX era como la Termodinámica a principios del siglo XIX. Todo esto eran palabras, maneras fenomenológicas de entender resultados observacionales, pero no había una base realmente matemática, rigurosa, que nos explicara cómo extender estos conceptos. Porque ya os digo, el calor aplicado a una partícula que sigue una trayectoria más o menos aleatoria, un camino aleatorio, pues realmente es una cosa muy diferente al calor en un gas o en un fluido o en un sistema macroscópico. Entonces, a mitad del siglo XX, sobre todo después de la Segunda Guerra Mundial, empieza a replantearse el tema de revisar lo que ha comentado Héctor: el demonio de Maxwell. El hecho de que haya un sistema microscópico con una capacidad de interaccionar con…
Francis Villatoro explica cómo, a mediados del siglo XX, surgió la termodinámica de la información, buscando aplicar conceptos termodinámicos a sistemas microscópicos acoplados a un baño térmico.
Habla: Francis VillatoroSignificado #20termodinámica de la información siglo xxsistemas microscópicos baño térmicotransferencia información sistema microscópicopropiedades macro sistema micro villatoro…Newton del siglo XX, a mediados de los 40 y ya nos da una definición rigurosa asociada a las distribuciones de probabilidad y básicamente nos permite hablar de manera rigurosa de información y así es como a mediados de la Segunda Guerra Mundial, a mediados. Del siglo XX, surge la termodinámica de la información. Una termodinámica en la que yo pretendo aplicar las palabras que yo uso en termodinámica a sistemas microscópicos acoplados a un baño térmico bajo la idea de que hay una transferencia de información que el sistema microscópico puede de alguna manera tener acceso a información microscópica que estas propiedades no me dan y gracias a ello yo puedo definir propiedades macro a ese sistema micro y entonces aparecen cosas. Sería lo que está haciendo el diablillo esencialmente, al ver una molécula rápida la deja pasar Está utilizando la información que puede medir de esa molécula, una información que puede medir microscópicamente para tener una influencia macroscópica y generar algo en…
Francis Villatoro explica cómo la termodinámica de la información, entendida hoy como termodinámica estocástica del siglo XIX, permite analizar sistemas complejos ignorando sus detalles moleculares.
Habla: Francis VillatoroSignificado #12termodinámica de la información siglo xixmovimiento browniano termodinámica estocásticadefiniciones matemáticas calor termodinámicaformulación equivalente al trabajo contexto…pero que como yo no sé realmente qué moléculas están implicadas ni qué grupos son yo hago un tratamiento termodinámico de la información y utilizo ideas como calor, entropía, disipación, Trabajo útil, etc. En un contexto puramente muy complicado en el que yo No conozco los detalles. Ignorando los detalles, yo puedo usar eso. Eso es lo que se hacía a principios del siglo XIX con la termodinámica, y todo esto se ha ido ya en la década de los 90, ya definiendo de maneras bastante rigurosas. Y tenemos definiciones matemáticas de lo que es el calor en termodinámica de la información, que hoy en día ya la entendemos como que en realidad la termodinámica de la información es lo mismo que la termodinámica estocástica de principios del siglo XIX; eso del movimiento browniano básicamente es lo mismo, y tenemos una formulación para el equivalente al calor o al trabajo en este contexto. Y lo que me gustaría dejar claro a los oyentes es algo que se Omite completamente en toda la divulgación y es que cuando yo hablo de calor en este tipo de sistemas, no es el calor en un sistema macroscópico; es un concepto que está definido de una manera diferente. La definición es completamente distinta y aplicable…
Francis Villatoro explica cómo se puede construir un lenguaje matemático para describir sistemas microscópicos interactuando entre sí, utilizando conceptos análogos a la termodinámica.
Habla: Francis VillatoroPalabras #10termodinámica estocástica sistemas microscópicosteoría micro avances años noventasistemas meso transferencia conceptoscalor estocástico átomo gas átomos…a un baño térmico, donde sí en ese baño térmico tengo una buena definición de calor, pero lo que yo hago es definir un concepto de calor aplicable a estas trayectorias que cumple más o menos con las leyes de la termodinámica de los sistemas macroscópicos. Es decir, yo puedo construir todo un lenguaje matemático, físico, estadístico, del comportamiento de sistemas microscópicos que interaccionan entre sí, utilizando conceptos análogos a los conceptos que se utilizan en la termodinámica, pero que son diferentes. Son diferentes y son adaptados, de hecho, en la termodinámica estocástica. El gran problema que tenemos es que tenemos una muy buena teoría de lo micro gracias a los avances de los años 90 y principios del siglo XXI y una buena teoría de los sistemas macro, pero nos falta la buena teoría de los sistemas meso. No sabemos hacer una buena transferencia de esos conceptos; no tenemos un mecanismo que nos transforme el calor estocástico asociado a un átomo en el calor asociado a un gas de átomos, y eso es uno de. los grandes problemas abiertos que tendrá que resolverse en este siglo pero todavía se está trabajando en ello y se están haciendo muchos experimentos en mesoescala para intentar clarificar realmente cómo se pueden extender estos conceptos y hay alguna que…
Francis Villatoro explica que los resultados obtenidos en el experimento, publicados en Nature, tienen una utilidad importante: ayudar a redefinir la termodinámica estocástica aplicada a sistemas no marcovianos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #19termodinámica estocástica sistemas no marcovianosresultados experimento publicados natureredefinir termodinámica estocástica villatoro…cuando el tiempo de las dos medidas es menor que el tiempo de relajación, es hasta el máximo que se ha obtenido; es tres veces mayor que si no hay efecto memoria. Entonces, bueno, eso se considera un resultado relevante y se ha publicado en Nature. Physics Pero, ya os digo, ¿esto qué utilidad tiene? Lo importante es que esto nos va a ayudar a redefinir mejor, a moldear toda la matemática de la termodinámica estocástica aplicada a sistemas no marcovianos. Estos experimentos, este y muchos experimentos que vendrán, acabarán dándonos información de cómo definir de nuevo esos conceptos. En el que el sistema no se comporta de manera marcoviana y eso nos va a ayudar a, entre comillas, quizás diseñar mecanismos que sean útiles en tecnologías cuánticas. Todo esto es clásico, todo esto es completamente clásico; aquí no hay nada cuántico. Pero…