Hispanopedia WikiEn física , la termalización es el proceso por el cual los cuerpos físicos alcanzan el equilibrio térmico mediante la interacción mutua. En general, la tendencia natural de un sistema es hacia un estado de equipartición de energía y temperatura uniforme que maximiza la entropía del sistema . Por lo tanto, la termalización, el equilibrio térmico y la temperatura son conceptos fundamentales importantes en la física estadística , la mecánica estadística y la termodinámica ; todas ellas constituyen la base de muchos otros campos específicos de la comprensión científica y la aplicación en ingeniería .
Algunos ejemplos de termalización son:
- el logro del equilibrio en un plasma . [ 1 ]
- el proceso que experimentan los neutrones de alta energía al perder energía por colisión con un moderador . [ 2 ]
- el proceso de emisión de calor o fonones por portadores de carga en una celda solar , después de que se absorbe un fotón que excede la energía de la banda prohibida del semiconductor . [ 3 ]
La hipótesis, fundamental en la mayoría de los libros de texto introductorios sobre mecánica estadística cuántica , [ 4 ] presupone que los sistemas alcanzan el equilibrio térmico (termalización). El proceso de termalización borra la memoria local de las condiciones iniciales. La hipótesis de termalización de autoestados plantea cuándo y por qué los estados cuánticos se termalizan.
No todos los estados cuánticos experimentan termalización. Se han descubierto algunos estados que no la experimentan (véase más abajo), y las razones por las que no alcanzan el equilibrio térmico no están claras a marzo de 2019. .
Descripción teórica
El proceso de equilibración se puede describir utilizando el teorema H o el teorema de relajación , [ 5 ] ver también producción de entropía .
Sistemas resistentes a la termalización
Sistemas clásicos
En términos generales, los sistemas clásicos con comportamiento no caótico no se termalizarán. Se espera que los sistemas con muchos constituyentes interactuantes sean caóticos , pero esta suposición a veces falla. Un contraejemplo notable es el problema de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou , que muestra una recurrencia inesperada y solo se termalizará en escalas de tiempo muy largas. [ 6 ] Los sistemas no caóticos que son perturbados por no linealidades débiles no se termalizarán para un conjunto de condiciones iniciales, con volumen no nulo en el espacio de fases, como lo establece el teorema KAM , aunque el tamaño de este conjunto disminuye exponencialmente con el número de grados de libertad. [ 7 ] Los sistemas integrables de muchos cuerpos , que tienen un número extenso de cantidades conservadas, no se termalizarán en el sentido usual, sino que se equilibrarán de acuerdo con un conjunto de Gibbs generalizado . [ 8 ] [ 9 ]
Sistemas cuánticos
Algunos de estos fenómenos que resisten la tendencia a termalizarse incluyen (véase, por ejemplo, una cicatriz cuántica ): [ 10 ]
- Las cicatrices cuánticas convencionales, [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] que se refieren a autoestados con una densidad de probabilidad mejorada a lo largo de órbitas periódicas inestables mucho más alta de lo que uno predeciría intuitivamente a partir de la mecánica clásica.
- Cicatrización cuántica inducida por perturbaciones: [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] a pesar de la similitud en apariencia con la cicatrización convencional, estas cicatrices tienen un mecanismo subyacente novedoso que surge del efecto combinado de estados casi degenerados y perturbaciones localizadas espacialmente, [ 15 ] [ 19 ] y pueden emplearse para propagar paquetes de ondas cuánticas en un punto cuántico desordenado con alta fidelidad. [ 16 ]
- Cicatrices cuánticas de muchos cuerpos.
- Localización de muchos cuerpos (MBL), [ 20 ] sistemas cuánticos de muchos cuerpos que conservan la memoria de su condición inicial en observables locales durante cantidades de tiempo arbitrarias. [ 21 ] [ 22 ]
Otros sistemas que resisten la termalización y que se comprenden mejor son los sistemas cuánticos integrables [ 23 ] y los sistemas con simetrías dinámicas . [ 24 ]
Referencias
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- Termodinámica