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Michael Lukin
Michael Lukin

Fundamentos de física estadística y térmica - F. Reif - Iberlibro



Fundamentos de física estadística y térmica F Reif




La física estadística y térmica es una rama de la física que estudia el comportamiento colectivo e emergente de los sistemas formados por un gran número de partículas, como átomos, moléculas o electrones. Estos sistemas pueden estar en equilibrio o fuera de él, y pueden presentar fenómenos como el calor, la presión, el trabajo, la entropía, las transiciones de fase, el magnetismo o el transporte. La física estadística y térmica se basa en el uso de métodos matemáticos y probabilísticos para describir las propiedades macroscópicas de los sistemas a partir de las leyes microscópicas que rigen el movimiento de las partículas.




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Frederick Reif fue un físico estadounidense que se dedicó a la enseñanza e investigación en física estadística y térmica, entre otras áreas. Fue profesor en la Universidad de California en Berkeley y autor de varios libros y artículos científicos. Su libro Fundamentos de física estadística y térmica es una obra clásica y reconocida en el campo, que abarca desde los conceptos básicos hasta los temas más avanzados y aplicados. El libro se caracteriza por su rigor, claridad, profundidad y originalidad, así como por su abundancia de ejemplos, problemas y referencias.


El libro Fundamentos de física estadística y térmica es un recurso valioso para los estudiantes y profesionales que quieran aprender o repasar los principios y resultados fundamentales de esta disciplina. El libro está dividido en 15 capítulos que cubren los siguientes temas:


Capítulo 1: Introducción a los métodos estadísticos




En este capítulo se introduce el objetivo y el alcance de la física estadística y térmica, así como las herramientas matemáticas necesarias para su desarrollo. Se explica cómo describir un sistema físico mediante variables macroscópicas y microscópicas, y cómo relacionarlas mediante el concepto de ensamble. Se introduce el principio de equipartición de la energía como un método para calcular valores medios de cantidades físicas. Se introduce también el concepto de entropía como una medida del desorden o la incertidumbre de un sistema.


Capítulo 2: Descripción estadística de los sistemas de partículas




En este capítulo se estudia el equilibrio térmico de un sistema formado por un gran número de partículas que interactúan débilmente entre sí. Se usa el ensamble canónico como una forma conveniente de describir estadísticamente el sistema. Se define la función de partición como una cantidad fundamental que contiene toda la información termodinámica del sistema. Se introduce la energía libre de Helmholtz como una función termodinámica que permite obtener todas las demás propiedades macroscópicas del sistema. Se muestra cómo se pueden derivar las leyes de la termodinámica a partir de la mecánica estadística.


Capítulo 3: Termodinámica estadística




Capítulo 4: Parámetros macroscópicos y su medida




En este capítulo se definen y se miden los parámetros macroscópicos que caracterizan el estado de un sistema físico. Se explica cómo definir y medir el calor específico, la presión, el volumen y el trabajo. Se usa el primer principio de la termodinámica para describir los procesos térmicos en los que el sistema intercambia energía con el exterior. Se usa el segundo principio de la termodinámica para establecer la dirección de los procesos irreversibles y la imposibilidad de las máquinas de movimiento perpetuo.


Capítulo 5: Aplicaciones de la termodinámica macroscópica




En este capítulo se aplican los conceptos y las leyes de la termodinámica macroscópica a diferentes situaciones de interés práctico. Se analizan los ciclos termodinámicos y se calcula su eficiencia como máquinas térmicas o refrigeradores. Se estudian las propiedades de las sustancias puras y las mezclas, y se introducen las ecuaciones de estado que relacionan la presión, el volumen y la temperatura. Se introduce el concepto de potencial químico como una variable termodinámica que determina la composición de un sistema heterogéneo o en equilibrio químico.


Capítulo 6: Métodos básicos y resultados de la mecánica estadística




En este capítulo se estudia el equilibrio con intercambio de partículas y energía entre un sistema y un reservorio. Se usa el ensamble gran canónico como una forma conveniente de describir estadísticamente el sistema. Se define el potencial químico como una variable conjugada al número de partículas. Se calculan las distribuciones estadísticas de Maxwell-Boltzmann, Fermi-Dirac y Bose-Einstein para sistemas formados por partículas clásicas o cuánticas, distinguibles o indistinguibles.


Capítulo 7: Aplicaciones sencillas de la mecánica estadística




Capítulo 8: Equilibrio entre fases o especies químicas




En este capítulo se estudia el equilibrio entre fases o especies químicas de un sistema heterogéneo o en reacción. Se usa el criterio de Gibbs para determinar las condiciones de equilibrio entre fases o especies químicas. Se construyen los diagramas de fase y las curvas de coexistencia que representan las regiones de estabilidad de cada fase o especie química. Se calculan las propiedades termodinámicas parciales molares y las actividades que caracterizan el comportamiento de cada componente en una mezcla.


Capítulo 9: Estadísticas cuánticas de los gases ideales




En este capítulo se usa el método del gran ensamble para obtener las funciones termodinámicas de los gases ideales cuánticos. Se estudian las propiedades térmicas, magnéticas y eléctricas de los electrones libres en los metales. Se analizan los efectos cuánticos en los gases monoatómicos y diatómicos, como la capacidad calorífica, la presión interna y el momento dipolar.


Capítulo 10: Sistemas de partículas interactivas




En este capítulo se introduce el concepto de interacción entre partículas y su efecto en las propiedades termodinámicas. Se usa el método del campo medio para tratar las interacciones débiles o promediadas. Se estudian los modelos sencillos de Ising, Heisenberg y van der Waals que describen sistemas ferromagnéticos, antiferromagnéticos y fluidos reales.


Capítulo 11: Magnetismo y bajas temperaturas




Capítulo 12: Teoría cinética elemental de los procesos de transporte




En este capítulo se definen los coeficientes de transporte como medidas del flujo neto de una cantidad física bajo un gradiente externo. Se usa el modelo cinético molecular para calcular los coeficientes de viscosidad, conductividad térmica y difusión en los gases diluidos. Se introduce la hipótesis del tiempo libre medio y sus limitaciones.


Capítulo 13: Teoría del transporte Aproximación utilizando el tiempo de relajación




En este capítulo se generaliza el modelo cinético molecular para tratar los procesos acoplados o simultáneos en presencia de campos eléctricos o magnéticos. Se usa la aproximación del tiempo de relajación para obtener ecuaciones diferenciales que describen la evolución temporal del sistema fuera del equilibrio. Se resuelven las ecuaciones del tiempo de relajación para casos sencillos como la relajación dieléctrica o magnética.


Capítulo 14: Formulación cuasi-exacta de la teoría del transporte




En este capítulo se usa el formalismo matemático del operador Liouville para describir la dinámica microscópica del sistema fuera del equilibrio. Se obtiene la ecuación maestra o ecuación cinética que rige la evolución temporal del operador densidad. Se aplica el método del operador colisión o método BBGKY para resolver la ecuación cinética en casos simples como el gas diluido o el gas débilmente interactuante.


Capítulo 15: Procesos irreversibles y fluctuaciones




En este capítulo se introduce el concepto de entropía producida como una medida del grado de irreversibilidad. Se formulan las ecuaciones fenomenológicas que relacionan las fuerzas termodinámicas con los flujos termodinámicos. Se estudian las fluctuaciones estadísticas que se producen en sistemas fuera del equilibrio mediante el teorema fluctuación-disipación.


Conclusión




En este artículo se ha presentado un resumen del libro Fundamentos de física estadística y térmica de Frederick Reif, una obra clásica y reconocida en el campo. Se ha explicado qué es la física estadística y térmica y por qué es importante para entender el comportamiento colectivo e emergente de los sistemas formados por un gran número de partículas. Se ha repasado los principales conceptos, métodos y resultados que se abordan en los 15 capítulos del libro, que cubren desde los aspectos básicos hasta los más avanzados y aplicados. Se ha mostrado qué ventajas tiene este libro respecto a otros textos similares, como su rigor, claridad, profundidad y originalidad, así como su abundancia de ejemplos, problemas y referencias. Se ha destacado también qué aplicaciones prácticas tiene este conocimiento en ciencia e ingeniería, como el diseño de máquinas térmicas, el estudio de las propiedades de los materiales, el análisis de las transiciones de fase o el control de los procesos irreversibles y las fluctuaciones.


Preguntas frecuentes





  • Qué es la física estadística?



La física estadística es una rama de la física que estudia el comportamiento colectivo e emergente de los sistemas formados por un gran número de partículas, usando métodos matemáticos y probabilísticos.


  • Qué es la termodinámica?



La termodinámica es una rama de la física que estudia las propiedades macroscópicas de los sistemas en equilibrio o fuera de él, como el calor, la presión, el trabajo o la entropía.


  • Qué es un ensamble?



Un ensamble es un conjunto hipotético de sistemas idénticos que se encuentran en diferentes estados microscópicos pero con las mismas variables macroscópicas. Un ensamble permite describir estadísticamente el comportamiento promedio de un sistema real.


  • Qué es una distribución estadística?



Una distribución estadística es una función que asigna una probabilidad a cada estado microscópico posible de un sistema. Una distribución estadística depende del tipo de ensamble que se use y del tipo de partículas que formen el sistema.


  • Qué es una transición de fase?



Una transición de fase es un cambio brusco o discontinuo en las propiedades macroscópicas de un sistema cuando se varía algún parámetro externo, como la temperatura o la presión. Una transición de fase implica un cambio en el orden o la simetría del sistema a nivel microscópico.



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