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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 macroscópicodemonio maxwell revisión hectorsistema microscópico altera propiedades macroscopicasagujero selección átomos gas confinadoFrancis VillatoroSegunda Guerra Mundialsistemas MarkovianosAlbert Einsteinsiglo XXsiglo XIXHéctorDemonio de MaxwellNature PhysicsHéctor Socassiglo XXI
Baño térmico sistema macroscópico propiedades
Ep576: Entropía; Neandertales; Tesla; Exoplaneta; Agujeros Negros; Eirenesfera
22 de octubre de 202610 momentos
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Francis Villatoro plantea una pregunta sobre la posibilidad de extender los principios de la termodinámica estadística a sistemas microscópicos que se mueven en trayectorias similares al movimiento browniano.
…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 las partículas microscópicas que forman el sistema macroscópico y pueda alterar las propiedades macroscópicas de ese sistema, por ejemplo, extrayendo partículas calientes, un pequeño demonio que en un gas confinado, a través de un agujero, seleccione los átomos, las moléculas de ese gas, que se muevan suficientemente rápido y las expulse, solo esas, y las que tengan una velocidad por debajo de cierto umbral, no las toque. las deje que reboten, pues ese demonio enfría el gas. y sin embargo está actuando de manera microscópica. Todo eso se empezó a entender a mediados del siglo XX con ciertos ejemplos, algunas cosas como el motor de Szilard, que es muy famoso. La idea era que lo…
Significado #1 · Palabras #2
Francis Villatoro propone comenzar a explicar la historia de la termodinámica estadística, contextualizándola en el siglo XIX, época marcada por el desarrollo de motores térmicos.
Habla: Francis VillatoroPalabras #6siglo xix siglo de los motorestermodinámica estudio funcionamiento motoresconceptos termodinámica introducidos intuitivamente…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…
Francis Villatoro explica que los conceptos termodinámicos como temperatura, entropía, trabajo y energía libre solo son aplicables a sistemas macroscópicos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #5 · Palabras #11estadística 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…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 plantea una pregunta sobre la posibilidad de extender los principios de la termodinámica estadística a sistemas microscópicos que se mueven en trayectorias similares al movimiento browniano.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #2movimiento 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 macroscópicodemonio maxwell revisión hectorsistema microscópico altera propiedades macroscopicasagujero selección átomos gas confinado…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 las partículas microscópicas que forman el sistema macroscópico y pueda alterar las propiedades macroscópicas de ese sistema, por ejemplo, extrayendo partículas calientes, un pequeño demonio que en un gas confinado, a través de un agujero, seleccione los átomos, las moléculas de ese gas, que se muevan suficientemente rápido y las expulse, solo esas, y las que tengan una velocidad por debajo de cierto umbral, no las toque. las deje que reboten, pues ese demonio enfría el gas. y sin embargo está actuando de manera microscópica. Todo eso se empezó a entender a mediados del siglo XX con ciertos ejemplos, algunas cosas como el motor de Szilard, que es muy famoso. La idea era que lo…
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 #2 · Palabras #3termodinámica de la información siglo xxsistemas microscópicos baño térmicotransferencia información sistema microscópicopropiedades macro sistema micro villatorotermodinámica información competencia estocásticamolécula rápida deja pasar diablillo…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 el sistema macroscópico Exactamente, entonces eso hizo que naciera ese campo de la termodinámica de la información que en cierto momento competía con la termodinámica estocástica que se había definido de manera cualitativa a principios del siglo XX Entonces ahí el gran trabajo que realmente motorizó todo esto fue el trabajo De Landauer, de Roth Landauer en 1961, que nos dijo algo extraordinariamente fascinante y es que borrar información tiene un coste termodinámico: hay que disipar una cantidad de calor mínima. Es decir, un ordenador, solo un ordenador clásico que maneje…
Francis Villatoro aclara a los oyentes que el concepto de calor utilizado en sus explicaciones sobre sistemas microscópicos difiere del calor en sistemas macroscópicos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #3 · Palabras #1calor en sistemas microscópicos villatorotrayectorias objetos microscópicos baño térmicoleyes termodinámica sistemas macroscópicostermodinámica estocástica sistemas microscópicosteoría micro avances años noventasistemas meso transferencia conceptoscalor estocástico átomo gas átomos…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 específicamente a trayectorias de objetos microscópicos acoplados 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 cómo se puede obtener trabajo útil en el sentido tradicional, refiriéndose al sistema macroscópico donde las interacciones le roban propiedades como calor, entalpía y entropía.
Habla: Francis VillatoroSignificado #9 · Palabras #4trabajo útil sistema macroscópicointeracciones roban entalpía al sistemasistema macroscópico asociado a palabrascuidado con trabajo sistemas microscópicos…a su equilibrio, eso puede dar lugar a un trabajo útil. Claro, porque da lugar una diferencia de calor, una transferencia de calor, una diferencia de temperatura y esa diferencia de temperatura la puedo aprovechar en un motor para producir trabajo útil. Claro, pero a eso me refiero, ¿se puede entonces conseguir trabajo en el sentido tradicional de la palabra? Sí, en el sentido tradicional de la palabra es cuando te refieres al sistema macroscópico En el sistema macroscópico sí, es decir, estas interacciones le roban estas propiedades, calor, entalpía, entropía, etc. al sistema macroscópico y entonces modifican el sistema macroscópico y el sistema macroscópico podemos asociar las palabras de toda la vida a ese sistema macroscópico Pero cuando hablamos de trabajo en estos sistemas microscópicos hay que ser muy cuidadosos y Ver exactamente en este experimento exactamente qué se define por trabajo, qué se define por información porque en este experimento concreto eso tiene un contexto muy concreto y ese contexto es lo que a veces se olvida y se simplifica todo. En este…
Francis Villatoro explica cómo la mayoría del trabajo matemático reciente en el campo se ha centrado en sistemas Markovianos, caracterizados por la ausencia de memoria.
Habla: Francis VillatoroSignificado #6 · Palabras #5sistemas marcovianos sin memoriaestado actual determina estado futurobaños de calor con memoriafrancis villatoro y sistemas markovianos…temas que se ha trabajado muchísimo aquí ha sido el tema de la información y cómo asociamos la información. Bueno, la manera más sencilla de asociar información a este tipo de sistemas es tener en cuenta la memoria: si hay memoria o no hay memoria, es decir, un sistema, aquí casi todo lo que se ha hecho a nivel matemático en los últimos 25 años ha sido con sistemas marcovianos sistemas en los cuales el presente, el estado actual, determina el estado futuro yo puedo saber de manera unívoca que va a pasar en el futuro a partir del estado que yo tengo en el presente eso significa que no hay memoria, sistema marcoviano Es un sistema en el que no hay memoria, pero lo que ocurre es que muchos baños de calor, es decir, muchos sistemas macroscópicos tienen memoria Todos conocemos los materiales Que tienen memoria, memoria de forma, por ejemplo, o los materiales viscoelásticos. Un material viscoelástico es un material en el que yo presiono y deformo el material y el material recupera su forma, pero lo recupera lentamente. ¿Vale? Hay un tiempo de…
Francis Villatoro explica cómo la interacción entre una micropartícula y un baño de calor se ve afectada por el efecto memoria del baño, lo que provoca un retraso en la reacción sobre el sistema microscópico.
Habla: Francis VillatoroSignificado #4 · Palabras #8efecto memoria baño de calorreacción sistema microscópico retrasadamaterial deformado tiempo originalsistemas no marcovianos termodinámica estocástica…materiales viscoelásticos. Un material viscoelástico es un material en el que yo presiono y deformo el material y el material recupera su forma, pero lo recupera lentamente. ¿Vale? Hay un tiempo de recuperación, de relajación del material. Todo eso afecta. Es decir, cuando yo tengo la micropartícula interaccionando con el baño de calor, si el baño de calor tiene efecto memoria, es decir, si las acciones sobre el baño de calor están retrasadas, tienen un efecto de retardo, y por lo tanto la reacción, la realimentación sobre el sistema microscópico se retrasa en el tiempo, no es inmediata. Yo deformo un material y echa un tiempo en volver a su forma original y volver a contactar conmigo y por lo tanto el efecto de mi deformación es un efecto que se retrasa en el tiempo. Tengo que trabajar con sistemas no marcovianos y los conceptos matemáticos que se han desarrollado en termodinámica estocástica, que incluyen todo este tipo de conceptos modificados de los que hemos hablado, han sido sobre todo bien definidos matemáticamente para sistemas marcovianos y ahora se está empezando a trabajar con sistemas no marcovianos y ahí es donde se enmarca este artículo que se acaba. De publicar en Nature Physics. Es un artículo que salió en Archive al principio de este año; creo que es un artículo de lo que es Muruga, Félix Guino y Clemens Beckinger de la Universidad de Constanza en Alemania, y de Sarah Laws del Instituto Masplan de…
Francis Villatoro explica cómo se puede aplicar una partícula a un fluido no newtoniano, específicamente a una disolución viscoelástica de micelas.
Habla: Francis VillatoroPalabras #17partícula en fluido no newtonianodisolución viscoelástica de micelasmoléculas alargadas cuentas collarrespuesta elástica no inmediata micelas…y hacer que la partícula suba por un lado y después tenga que caer o suba por el otro y tenga que caer, o puede que oscile en ese pozo de potencial hasta relajarse y volver a su estado de equilibrio. ¿Vale? Entonces eso lo puedo hacer muy fácilmente. Esa partícula, en lugar de acoplarla a un baño térmico marcoviano, como puede ser un fluido estándar, un fluido newtoniano, lo aplico a un fluido no newtoniano, a una disolución viscoelástica de micelas; es decir, de moléculas muy alargadas, son como pequeños polímeros, son formadas por como cuentas de collar, como moléculas alargaditas en forma de cuentas de collar y esas cuentas cuando responden de manera elástica pues no responden de manera inmediata como si fuera un muelle. Cuando yo la presiono mecánicamente, las deformo, no responden como un muelle, sino que responden como un material que le cuesta más trabajo, acaban recuperando, pero le cuesta más trabajo y lo hacen de manera retrasada. Entonces, en esta disolución…
Francis Villatoro explica cómo los experimentos realizados pueden ayudar a diseñar mecanismos útiles para tecnologías cuánticas y destaca que, aunque son clásicos, la termodinámica estocástica también se aplica a sistemas cuánticos abiertos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #15 · Palabras #9termodinámica estocástica sistemas cuánticosefecto memoria naturaleza physicsaplicaciones potenciales biologíasistema microscópico trabajo estocástico…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 bueno, ahí la termodinámica estocástica también se aplica a sistemas cuánticos abiertos: entonces abierto significa que hay un baño térmico que interacciona con el sistema cuántico y se cree que esto tendrá aplicaciones en biología, pero son aplicaciones potenciales; es decir, ahora mismo el gran interés de este artículo, el por qué este artículo se publica en Nature Physics es porque es un artículo que es el primero que muestra experimentalmente información obtenida de un efecto tipo memoria que genera trabajo, en el sentido estocástico, en un sistema microscópico. Bueno, se nos ha echado el tiempo encima, Francis; yo no sé si tú te tienes que ir ya para tu clase o te queda un ratito más, porque bueno, ahora llega el momento de la pausa. Vamos a tomar un cafecito a la vuelta; yo les invito. Es más, les conmino, amigas,…