Termodinâmica a tempo finito em atalhos para adiabaticidade e máquinas de Szilárd

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Acconcia, Thiago Vaz, 1991-
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1642057
Resumo: Orientador: Marcus Vinicius Segantini Bonança
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Novas tecnologias foram criadas, e nos sistemas de microchips e sensores monitorando os mais diversos acontecimentos encontramos o cerne de toda essa modernização e alta performance: o domínio de processos térmicos em sistemas fora do equilíbrio termodinâmico. Neste trabalho, estudamos os processos que vão além do cenário tradicional da termodinâmica, ou seja, estudamos processos que ocorrem fora do regime quasistático, operando no chamado tempo finito. Foi também avaliado como as suas leis se traduzem quando o número de graus de liberade do sistema estão fora do limite termodinâmico. Inicialmente apresentamos uma análise do trabalho realizado em um sistema de interesse que é mantido termicamente isolado durante a variação de um parâmetro de controle externo. Mostramos que existe, para uma determinada classe de sistemas, uma família de protocolos de perturbação a tempo finito para a qual o trabalho é igual ao valor quase-estatístico. Esses caminhos ótimos são obtidos dentro da resposta linear para sistemas inicialmente preparados em uma distribuição canônica. Para sistemas com um grau de liberdade, afirmamos que esses caminhos ótimos também podem levar à conservação do invariante adiabático correspondente. Após esse trabalho, avaliamos como esses protocolos se encaixariam no contexto dos chamados atalhos para adiabaticidade. Quantificamos as excitações de não-equilíbrio para dois exemplos específicos: o oscilador paramétrico quântico e o spin 1/2 em um campo magnético dependente do tempo. Mostramos que os zeros de tempo finito do excesso de trabalho indicam a existência de atalhos. Dentre todos os processos citados acima, a medida de energia nos estados termodinâmicos após os processos cíclicos nunca havia sido discutida em nossos trabalhos anteriores. Considerando um extremo dos casos de protocolos ótimos, avaliamos a factibilidade de se extrair energia de um único banho térmico usando estados iniciais microcanônicos máquina de Szilárd operando em tempo finito. Evidenciamos que o mecanismo subjacente que leva à extração de energia não viola o teorema de Liouville e preserva a ergodicidade ao longo do ciclo. Por fim, estudamos em sistemas quânticos, qual o máximo de informação que poderia ser extraída de um processo sob influência de protocolo externo. Retomamos o clássico problema de transmissão de informação para canais clássico-quânticos iniciando uma derivação do limite de Bremermann-Bekenstein dentro do contexto de protocolos de perturbação em sistemas quânticos sob influência de perturbação fracaAbstract: Thermodynamics is one of the most fundamental pillars of physics that describe the phenomena of heat exchange and energy conversion in nature. The need to understand the phenomenon of heat and energy transformation has always been imperative. New technologies were created, and in the microchip and sensor systems monitoring the most diverse events we find the core of all this modernization and high performance: fine control of thermal processes in systems out of equilibrium. In this work, we studied the processes that go beyond the traditional scenario of thermodynamics. We studied processes that occur far from the quasistatic regime, operating in the so-called finite time process. It was also evaluated how its laws translate when the number of degrees of freedom of the system is not in the thermodynamic limit. First, we present an analysis of the extracted work from a system of interest that is kept thermally isolated during the change of an external control parameter. We show that, for a given class of systems, there is a family of perturbation protocols in finite time for which the total work is equal to the quasistatic value. These optimal paths are obtained within the linear response for systems initially prepared in a canonical distribution. For systems with a degree of freedom, we claim that these optimal paths can also lead to the conservation of the corresponding adiabatic invariant. After this work, we evaluated how these protocols would fit in the context of the so-called shortcuts to adiabaticity. We evaluated the non-equilibrium excitations for two specific examples: the quantum parametric oscillator and the spin 1/2 in a time-dependent magnetic field. We have shown evidences that the finite time zeros of excess work indicate the existence of shortcuts. Among all the processes mentioned above, the energy measurement in thermodynamic states after cyclical processes has never been discussed on our previous papers. Considering an extreme of the cases of optimal protocols, we evaluated the feasibility of extracting energy from a single thermal bath using initial microcanonical states of Szilárd's engine operating in finite time. We have shown evidences that the underlying mechanism that leads to energy extraction does not violate Liouville's theorem and preserves ergodicity throughout the cycle. Finally, we studied for quantum systems, how much information could be extracted from a process under the influence of an external protocol. Then, we recovered to the classic problem of information transmission through classical-quantum channels and started a derivation of the Bremermann-Bekenstein limit within the context of perturbation protocols in quantum systems under the influence of weak perturbationDoutoradoFísicaDoutor em CiênciasCAPES1504869/2015[s.n.]Bonança, Marcus Vinicius Segantini, 1977-Oliveira, Marcos César deSilva, Edison Zacarias daMarchiori, Marcelo AmorimOliveira, Thiago Rodrigues deUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Física Gleb WataghinPrograma de Pós-Graduação em FísicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASAcconcia, Thiago Vaz, 1991-20212021-07-12T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (115 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1642057ACCONCIA, Thiago Vaz. Termodinâmica a tempo finito em atalhos para adiabaticidade e máquinas de Szilárd. 2021. 1 recurso online (115 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1642057. Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1166997Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-11-04T14:33:37Zoai::1166997Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2021-11-04T14:33:37Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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