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Ignacio CrespoFrancis VillatoroBorja TosarHéctor SocasGastón GiribetJosé Edelsteinmovimiento browniano proceso estocásticotrayectoria aleatoria física newtonianacolisiones escala de tiempo movimiento brownianoderivadas indefinidas trayectoria brownianamovimiento 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 macroscópicosiglo XIXFrancis VillatoroNewtonAlbert Einsteinsistemas Markovianos
Calor partícula trayectoria aleatoria
Ep576: Entropía; Neandertales; Tesla; Exoplaneta; Agujeros Negros; Eirenesfera
22 de octubre de 20265 momentos
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Francis Villatoro explica cómo la termodinámica a principios del siglo XIX era una forma fenomenológica de entender resultados observacionales, careciendo de una base matemática rigurosa.
…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 le explica a los estudiantes en primer curso de física, sino que es una trayectoria completamente aleatoria que, en rigor matemático, puede llegar a ser una trayectoria que no tenga derivadas, que no tenga derivadas bien definidas. Claro, en la física real es producto de colisiones y esas colisiones pues tienen una escala de tiempo; 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
Francis Villatoro explica cómo la termodinámica a principios del siglo XIX era una forma fenomenológica de entender resultados observacionales, careciendo de una base matemática rigurosa.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #1movimiento browniano proceso estocásticotrayectoria aleatoria física newtonianacolisiones escala de tiempo movimiento brownianoderivadas indefinidas trayectoria brownianamovimiento 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…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 le explica a los estudiantes en primer curso de física, sino que es una trayectoria completamente aleatoria que, en rigor matemático, puede llegar a ser una trayectoria que no tenga derivadas, que no tenga derivadas bien definidas. Claro, en la física real es producto de colisiones y esas colisiones pues tienen una escala de tiempo; 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 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 #11 · Palabras #4calor en sistemas microscópicos villatorotrayectorias objetos microscópicos baño térmicoleyes termodinámica sistemas macroscópicos…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.…
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 #13efecto 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 analiza estadísticamente la trayectoria de una partícula atrapada con una pinza óptica en una disolución viscoelástica para identificar tendencias.
Habla: Francis VillatoroSignificado #5 · Palabras #10trayectoria partícula pinza ópticatendencias estadística disolución viscoelásticaequilibrio bolita pozo potencialpinza óptica parábola…pocos decenas de nanómetros. La resolución espacial de este experimento es de 5 nanómetros para poder ver el movimiento de la bolita y ver en la mecánica, en la trayectoria, porque repito, la termodinámica estocástica se aplica a las trayectorias. Entonces lo que hacemos es analizar estadísticamente la trayectoria de la partícula, que es una partícula que es una cosa como muchos picos, muchos picos y entonces a de vez en cuando hay como tendencias, sube para unos valores, baja, etc. Entonces, ahora tengo que meter información. ¿Cómo meto yo información en una bolita atrapada con una pinza óptica en una disolución viscoelástica? Bueno, pues de una manera bastante sencilla voy a considerar que la distribución de equilibrio de la bolita, que está como en el pozo de potencial, en la parábola del pozo de potencial de la pinza óptica, Pues la distribución de velocidad cuando yo me alejo de ese pozo a nivel de energía cinética, pues básicamente es como una gaussiana. Básicamente es una gaussiana. Me cuesta, es muy pequeño el valor cuando me alejo mucho del punto de equilibrio porque tengo…
Francis Villatoro explica cómo asigna valores binarios (1 o 0) a la posición de una partícula atrapada y posteriormente analiza la relación entre esta información y las propiedades termodinámicas estocásticas.
Habla: Francis VillatoroSignificado #6 · Palabras #12valores binarios partícula atrapadapropiedades termodinámicas estocásticas trayectoriapinza óptica punto de equilibriomedida resultado estado cero uno…corte, si queréis, en energía cinética, velocidad, energía cinética de tal manera de que cuando la bolita está demasiado lejos, tengo un 1 y cuando está demasiado cerca, eso sí, tengo que ser un 0 y un 1. Diréis, el potencial es simétrico, tengo dos valores. Máximos, bueno, vamos a considerar valores positivos ¿vale? Si está en la ultraizquierda tiene un valor 1 y si está en la izquierda, en el centro, en la derecha o en la ultraderecha tiene un 0 ¿vale? Y esto ya tengo información. Entonces ahora lo que yo estudio es cómo esa información se relaciona con las propiedades termodinámicas estocásticas asociadas a la trayectoria de la partícula cuando yo la saco del punto de equilibrio moviendo ligeramente la pinza óptica. Entonces, yo tengo una trayectoria muy irregular y yo, por ejemplo, hago una medida. Si yo mido la partícula, mi resultado es o está en estado cero o está en estado uno. Bueno, pues eso no me da ninguna información. Si está en estado cero, es que está más o menos cerquita, habitualmente, cerquita del centro o alejada hacia la derecha. Y si me da estado uno, es que está muy hacia la izquierda. Ya está, no tengo mayor…