Los rasgos macroscópicos de los sistemas pueden establecerse gracias a recursos derivados de la física estadística.
Física estadística es el nombre que identifica a una especialización dentro del campo de la física que también suele recibir la denominación de mecánica estadística.
Quienes se dedican a ella ponen el foco en sistemas que abarcan a numerosos componentes a fin de trazar lazos entre las propiedades colectivas o macroscópicas de dichos sistemas y las propiedades distintivas de los elementos que los constituyen.
En pos de su desarrollo son fundamentales los métodos y recursos de los ámbitos de las matemáticas, la estadística y de la teoría de probabilidad. Los provechos son múltiples ya que la física estadística es clave para aportar información acerca de características de la materia; es enriquecedora para exponentes de disciplinas como la astrofísica y la ciencia de los materiales, y contribuye a la comprensión o resolución de problemas propios de la química, la biología, la física, etc. Con ella, según se deduce de la práctica, es posible abordar de modo cuantitativo la superfluidez y la superconductividad, por ejemplo.
TemasCaracterísticas de la física estadística
La física estadística ofrece una amplia variedad de herramientas para el estudio y la investigación de sistemas físicos complejos. A través de sus lineamientos es posible apreciar y analizar los comportamientos tanto de sistemas fuera de equilibrio como de aquellos que están en equilibrio.
Determinadas dificultades relativas a este campo de estudio llegan a una resolución analítica en base a expansiones y aproximaciones, pero con el avance de la tecnología se ha ido trabajando cada vez más con equipos informáticos modernos para encontrar soluciones a partir de simulaciones o resultados aproximados. Las simulaciones de Monte Carlo (o método de Montecarlo) es uno de los recursos que se emplea en este contexto.
Entre los saberes que hay que adquirir y dominar para entender y estar en condiciones de aplicar nociones de física estadística aparecen algunas distribuciones estadísticas fundamentales. Una de ellas es la distribución de Fermi-Dirac, cuya formulación incluye a la cantidad promedio de partículas en un cierto estado de energía, el potencial químico, la constante de Boltzmann, la temperatura y tanto la energía como la degeneración propias del estado i-ésimo. Se apela, de igual manera, a una función de probabilidad llamada distribución de Boltzmann con el propósito de trazar el perfil de energía y temperatura que presenta un cierto sistema de partículas. La tercera de ellas es la distribución de Bose-Einstein, una modalidad de estadística útil al momento de querer averiguar a nivel estadístico las propiedades de grandes grupos de partículas imposibles de distinguir que, en un marco de equilibrio térmico, coexisten en un mismo estado cuántico.
Si bien se ha logrado mucho en el plano de la física estadística todavía hay problemas abiertos y se requiere continuar, profundizar y renovar los estudios y la experimentación a fin de ir beneficiando a esta especialidad con tecnologías emergentes y descubrimientos relevantes.
La física estadística es aprovechada por expertos en biología molecular y otras disciplinas.
Mecánica estadística
En el área perteneciente a la física que se define como mecánica estadística se arriba a resultados de carácter fenomenológico en la rama de la termodinámica llevando a cabo una indagación probabilística de sistemas subyacentes de perfil microscópico.
Con esta especialidad, enriquecedora para física de plasmas y dinámica de fluidos, se conectan distintas escalas físicas y se buscan respuestas en torno a cómo el comportamiento de un cierto sistema en la esfera microscópica condiciona su desempeño en el plano macroscópico.
En este marco adquiere una gran relevancia la llamada función de partición Z, indispensable para poder recopilar información sobre entropía, energía libre de Gibbs, temperatura y otras variables. Cabe resaltar que la forma que posea cada función de participación dependerá de qué ensamble estadístico se considere.
Es constructivo saber, asimismo, qué y cómo es la mecánica cuántica estadística. Así se conoce a la disciplina que se aplica a un sistema mecánico cuántico.
Los expertos en física estadística trabajan con herramientas matemáticas, métodos estadísticos y teoría de la probabilidad.
Formalismos de física estadística
Al reunir información sobre física estadística no se pueden pasar por alto los formalismos asociados a ella. En este sentido hay que instruirse sobre la utilidad de la colectividad canónica (bautizada también como ensamble o colectivo canónico), reservada a la descripción de estados de sistemas macroscópicos que presentan una temperatura, un volumen y una cantidad de partículas específicos.
Se reconoce, de igual modo, a la colectividad microcanónica. Este formalismo, en ocasiones presentado como colectivo microcanónico, se destina a estudiar la variedad de sistemas macroscópicos que están aislados y en equilibrio, donde al no producirse intercambios con el medio externo, la energía se mantiene constante.
La última de las variedades identificadas es la colectividad macrocanónica. En este caso es un recurso (catalogado incluso como colectivo grancanónico) orientado a la descripción de sistemas (o conjuntos de partículas) en los cuales la temperatura, el volumen y el potencial químico puedan sean fijados a escala macroscópica al analizar el equilibrio de dicho sistema. En este escenario, marcado por funciones de participación específicas, se produce un intercambio de materia y energía térmica entre el sistema y su entorno.
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