Giant heat dissipation at the low temperature reversible-irreversible transition in Gd5Ge4

The heat exchanged at the low-temperature first-order magnetostructural transition is directly measured in Gd5Ge4 . Results show that the origin and the temperature dependence of the heat exchanged varies with the reversible/irreversible character of the first-order transition. In the reversible regime, the heat exchanged by the sample is mostly due to the latent heat at the transition and decreases with decreasing temperature, while in the irreversible regime, the heat is irreversibly dissipated and increases strongly with decreasing temperature, reaching a value of 237 J/kg at 4 K.

Aplicación de la física estadística a los medios granulares

Esta tesis se centra en el estudio de medios granulares blandos y atascados mediante la aplicación de la física estadística. Esta aproximación se sitúa entre los tradicionales enfoques macro y micromecánicos: trata de establecer cuáles son las propiedades macroscópicas esperables de un sistema granular en base a un análisis de las propiedades de las partículas y las interacciones que se producen entre ellas y a una consideración de las restricciones macroscópicas del sistema. Para ello se utiliza la teoría estadística junto con algunos principios, conceptos y definiciones de la teoría de los medios continuos (campo de tensiones y deformaciones, energía potencial elástica, etc) y algunas técnicas de homogeneización. La interacción entre las partículas es analizada mediante las aportaciones de la teoría del contacto y de las fuerzas capilares (producidas por eventuales meniscos de líquido cuando el medio está húmedo). La idea básica de la mecánica estadística es que entre todas soluciones de un problema físico (como puede ser el ensamblaje en equilibrio estático de partículas de un medio granular) existe un conjunto que es compatible con el conocimiento macroscópico que tenemos del sistema (por ejemplo, su volumen, la tensión a la que está sometido, la energía potencial elástica que almacena, etc.). Este conjunto todavía contiene un número enorme de soluciones. Pues bien, si no hay ninguna información adicional es razonable pensar que no existe ningún motivo para que alguna de estas soluciones sea más probable que las demás. Entonces parece natural asignarles a todas ellas el mismo peso estadístico y construir una función matemática compatible. Actuando de este modo se obtiene cuál es la función de distribución más probable de algunas cantidades asociadas a las soluciones, para lo cual es muy importante asegurarse de que todas ellas son igualmente accesibles por el procedimiento de ensamblaje o protocolo. Este enfoque se desarrolló en sus orígenes para el estudio de los gases ideales pero se puede extender para sistemas no térmicos como los analizados en esta tesis. En este sentido el primer intento se produjo hace poco más de veinte años y es la colectividad de volumen. Desde entonces esta ha sido empleada y mejorada por muchos investigadores en todo el mundo, mientras que han surgido otras, como la de la energía o la del fuerza-momento (tensión multiplicada por volumen). Cada colectividad describe, en definitiva, conjuntos de soluciones caracterizados por diferentes restricciones macroscópicas, pero de todos ellos resultan distribuciones estadísticas de tipo Maxwell-Boltzmann y controladas por dichas restricciones. En base a estos trabajos previos, en esta tesis se ha adaptado el enfoque clásico de la física estadística para el caso de medios granulares blandos. Se ha propuesto un marco general para estudiar estas colectividades que se basa en la comparación de todas las posibles soluciones en un espacio matemático definido por las componentes del fuerza-momento y en unas funciones de densidad de estados. Este desarrollo teórico se complementa con resultados obtenidos mediante simulación de la compresión cíclica de sistemas granulares bidimensionales. Se utilizó para ello un método de dinámica molecular, MD (o DEM). Las simulaciones consideran una interacción mecánica elástica, lineal y amortiguada a la que se ha añadido, en algunos casos, la fuerza cohesiva producida por meniscos de agua. Se realizaron cálculos en serie y en paralelo. Los resultados no solo prueban que las funciones de distribución de las componentes de fuerza-momento del sistema sometido a un protocolo específico parecen ser universales, sino que también revelan que existen muchos aspectos computacionales que pueden determinar cuáles son las soluciones accesibles. This thesis focuses on the application of statistical mechanics for the study of static and jammed packings of soft granular media. Such approach lies between micro and macromechanics: it tries to establish what the expected macroscopic properties of a granular system are, by starting from a micromechanical analysis of the features of the particles, and the interactions between them, and by considering the macroscopic constraints of the system. To do that, statistics together with some principles, concepts and definitions of continuum mechanics (e.g. stress and strain fields, elastic potential energy, etc.) as well as some homogenization techniques are used. The interaction between the particles of a granular system is examined too and theories on contact and capillary forces (when the media are wet) are revisited. The basic idea of statistical mechanics is that among the solutions of a physical problem (e.g. the static arrangement of particles in mechanical equilibrium) there is a class that is compatible with our macroscopic knowledge of the system (volume, stress, elastic potential energy,...). This class still contains an enormous number of solutions. In the absence of further information there is not any a priori reason for favoring one of these more than any other. Hence we shall naturally construct the equilibrium function by assigning equal statistical weights to all the functions compatible with our requirements. This procedure leads to the most probable statistical distribution of some quantities, but it is necessary to guarantee that all the solutions are likely accessed. This approach was originally set up for the study of ideal gases, but it can be extended to non-thermal systems too. In this connection, the first attempt for granular systems was the volume ensemble, developed about 20 years ago. Since then, this model has been followed and improved upon by many researchers around the world, while other two approaches have also been set up: energy and force-moment (i.e. stress multiplied by volume) ensembles. Each ensemble is described by different macroscopic constraints but all of them result on a Maxwell-Boltzmann statistical distribution, which is precisely controlled by the respective constraints. According to this previous work, in this thesis the classical statistical mechanics approach is introduced and adapted to the case of soft granular media. A general framework, which includes these three ensembles and uses a force-moment phase space and a density of states function, is proposed. This theoretical development is complemented by molecular dynamics (or DEM) simulations of the cyclic compression of 2D granular systems. Simulations were carried out by considering spring-dashpot mechanical interactions and attractive capillary forces in some cases. They were run on single and parallel processors. Results not only prove that the statistical distributions of the force-moment components obtained with a specific protocol seem to be universal, but also that there are many computational issues that can determine what the attained packings or solutions are.

Tres líneas de novísima investigación: teoría de sistemas, física estadística y bioingeniería

TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS. (UN ENFOQUE METODOLÓGICO), por George J. Klir. Versión española de F. J. Valero López, con introducción y revisión técnica de Eduardo Bueno Campos; Ediciones ICE; Madrid,1980; 383 páginas. Dentro del movimiento actual en la investigación de sistemas generales, G. J. Klir ocupa un lugar relevante.

Cinética da transferência de calor em materiais com mudança de fase

É extensa a bibliografia dedicada a potenciais aplicações de materiais com mudança de fase na regulação térmica e no armazenamento de calor ou de frio. No entanto, a baixa condutividade térmica impõe limitações numa grande diversidade de aplicações com exigências críticas em termos de tempo de resposta curto ou com requisitos de elevada potência em ciclos de carga/descarga de calor latente. Foram desenvolvidos códigos numéricos no sentido de obter soluções precisas para descrever a cinética da transferência de calor com mudança de fase, com base em geometrias representativas, i.e. planar e esférica. Foram igualmente propostas soluções aproximadas, sendo identificados correspondentes critérios de validação em função das propriedades dos materiais de mudança de fase e de outros parâmetros relevantes tais como as escalas de tamanho e de tempo, etc. As referidas soluções permitiram identificar com rigor os fatores determinantes daquelas limitações, quantificar os correspondentes efeitos e estabelecer critérios de qualidade adequados para diferentes tipologias de potenciais aplicações. Os referidos critérios foram sistematizados de acordo com metodologias de seleção propostas por Ashby e co-autores, tendo em vista o melhor desempenho dos materiais em aplicações representativas, designadamente com requisitos ao nível de densidade energética, tempo de resposta, potência de carga/descarga e gama de temperaturas de operação. Nesta sistematização foram incluídos alguns dos compósitos desenvolvidos durante o presente trabalho. A avaliação das limitações acima mencionadas deu origem ao desenvolvimento de materiais compósitos para acumulação de calor ou frio, com acentuada melhoria de resposta térmica, mediante incorporação de uma fase com condutividade térmica muito superior à da matriz. Para este efeito, foram desenvolvidos modelos para otimizar a distribuição espacial da fase condutora, de modo a superar os limites de percolação previstos por modelos clássicos de condução em compósitos com distribuição aleatória, visando melhorias de desempenho térmico com reduzidas frações de fase condutora e garantindo que a densidade energética não é significativamente afetada. Os modelos elaborados correspondem a compósitos de tipo core-shell, baseados em microestruturas celulares da fase de elevada condutividade térmica, impregnadas com o material de mudança de fase propriamente dito. Além de visarem a minimização da fração de fase condutora e correspondentes custos, os modelos de compósitos propostos tiveram em conta a adequação a métodos de processamento versáteis, reprodutíveis, preferencialmente com base na emulsificação de líquidos orgânicos em suspensões aquosas ou outros processos de reduzidas complexidade e com base em materiais de baixo custo (material de mudança de fase e fase condutora). O design da distribuição microestrutural também considerou a possibilidade de orientação preferencial de fases condutoras com elevada anisotropia (p.e. grafite), mediante auto-organização. Outros estágios do projeto foram subordinados a esses objetivos de desenvolvimento de compósitos com resposta térmica otimizada, em conformidade com previsões dos modelos de compósitos de tipo core-shell, acima mencionadas. Neste enquadramento, foram preparados 3 tipos de compósitos com organização celular da fase condutora, com as seguintes características e metodologias: i) compósitos celulares parafina-grafite para acumulação de calor, preparados in-situ por emulsificação de uma suspensão de grafite em parafina fundida; ii) compósitos celulares parafina-Al2O3 para acumulação de calor, preparados por impregnação de parafina em esqueleto cerâmico celular de Al2O3; iii) compósitos celulares para acumulação de frio, obtidos mediante impregnação de matrizes celulares de grafite com solução de colagénio, após preparação prévia das matrizes de grafite celular. Os compósitos com esqueleto cerâmico (ii) requereram o desenvolvimento prévio de um método para o seu processamento, baseado na emulsificação de suspensões de Al2O3 em parafina fundida, com adequados aditivos dispersantes, tensioactivos e consolidantes do esqueleto cerâmico, tornando-o auto-suportável durante as fases posteriores de eliminação da parafina, até à queima a alta temperatura, originando cerâmicos celulares com adequada resistência mecânica. Os compósitos desenvolvidos apresentam melhorias significativos de condutividade térmica, atingindo ganhos superiores a 1 ordem de grandeza com frações de fase condutora inferior a 10 % vol. (4 W m-1 K-1), em virtude da organização core-shell e com o contributo adicional da anisotropia da grafite, mediante orientação preferencial. Foram ainda preparados compósitos de armazenamento de frio (iii), com orientação aleatória da fase condutora, obtidos mediante gelificação de suspensões de partículas de grafite em solução aquosa de colagénio. Apesar da estabilidade microestrutural e de forma, conferida por gelificação, estes compósitos confirmaram a esperada limitação dos compósitos com distribuição aleatória, em confronto com os ganhos alcançados com a organização de tipo core-shell.

Statistics of avalanches in martensitic transformations, II. Modelling

Using a scaling assumption, we propose a phenomenological model aimed to describe the joint probability distribution of two magnitudes A and T characterizing the spatial and temporal scales of a set of avalanches. The model also describes the correlation function of a sequence of such avalanches. As an example we study the joint distribution of amplitudes and durations of the acoustic emission signals observed in martensitic transformations [Vives et al., preceding paper, Phys. Rev. B 52, 12 644 (1995)].

Modelo dinâmico e estatístico aplicado a transição de fase

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Um estudo sobre transições de fase dinâamicas e equações estocásticas de Ginzburg-Landau-Langevin

Pós-graduação em Física - IFT

Modelo de ISING en 3-d. aplicación a sensores magnéticos

El modelo de Ising es un problema de física estadística que tiene solución exacta en dos dimensiones, para el caso de tres dimensiones es preciso utilizar procedimientos de simulación. En este trabajo se ha utilizado un método de Monte Carlo para estudiar el comportamiento del sistema en distintas situaciones, siendo de especial interés el estudio del paso por la transición de fase a la temperatura crítica (Temperatura de Curie, Tc). Se ha estudiado la cinética de los dominios magnéticos, considerando la estructura de los dominios desde el punto de vista de la energía, y en consecuencia, hemos tenido en cuenta la energía de canje que tiende a mantener alineados los espines de los electrones en los materiales ferromagnéticos. Este término contribuye a hacer mayor el espesor de la pared, por la tendencia a que los espines de los átomos vecinos se mantengan alineados. Se ha considerado el ferromagnetismo desde el punto de vista cuántico y basado en las propiedades de simetría de las funciones de onda de los electrones, que se manifiestan en variaciones de la energía electrostática de un sistema en función de la orientación de sus espines. Se han estudiado los efectos de histéresis que resultan al aplicar un campo magnético externo a la red y la orientación de los espines de la misma a lo largo de su evolución. Para la determinación de las propiedades de los materiales ferromagnéticos se utiliza el ciclo de histéresis aunque algunas de las propiedades magnéticas, como la dirección de anisotropía, no pueden ser deducidas directamente de esta manera. Se utilizan distintos métodos para la determinación de la anisotropía de las muestras. El acoplamiento entre la magnetización en zonas próximas a la superficie y la magnetización en zonas internas de la muestra puede ser utilizado para obtener un ciclo de histéresis, que permita obtener sensores magnéticos adaptados a las medidas que se quieran realizar. Mediante el control del campo coercitivo y la susceptibilidad se abre una línea de investigación para el desarrollo de sensores magnéticos

Teoria de Landau-Ginzburg para o estado supercondutor nemático

O objetivo geral deste projeto é propor um modelo bidimensional que descreva o novo estado supercondutor, que apresenta simetria de cristal líquido, chamado de supercondutor nemático. O estudo começa com uma introdução sobre a teoria de Landau-Ginzburg das transições de fase, onde são discutidos conceitos como parâmetro de ordem e as ordens das transições de fase, que são essenciais para o desenvolvimento deste projeto. Em seguida, é feita uma discussão sobre as principais características dos supercondutores como a resistência zero, o efeito Meissner-Ochsenfeld, os tipos de supercondutores, o surgimento de vórtices e uma análise sobre a teoria de Landau-Ginzburg para transição de fase metal-supercondutor. Após isto, é feita uma abordagem sobre os principais tipos de cristais líquidos, com destaque ao cristal líquido nemático, onde é desenvolvida a teoria de Landau-Ginzburg para transição de fase isotrópica-nemática e um estudo sobre o surgimento de disclinações no cristal líquido nemático em duas dimensões. Por fim, é apresentado o modelo proposto para descrever o estado supercondutor nemático, com a construção da teoria de Landau-Ginzburg, o estudo do acoplamento entre as fases e os defeitos topológicos presentes nesse estado.

Statistical dynamics of dislocation systems: The influence of dislocation-dislocation correlations.

During plastic deformation of crystalline materials, the collective dynamics of interacting dislocations gives rise to various patterning phenomena. A crucial and still open question is whether the long range dislocation-dislocation interactions which do not have an intrinsic range can lead to spatial patterns which may exhibit well-defined characteristic scales. It is demonstrated for a general model of two-dimensional dislocation systems that spontaneously emerging dislocation pair correlations introduce a length scale which is proportional to the mean dislocation spacing. General properties of the pair correlation functions are derived, and explicit calculations are performed for a simple special case, viz pair correlations in single-glide dislocation dynamics. It is shown that in this case the dislocation system exhibits a patterning instability leading to the formation of walls normal to the glide plane. The results are discussed in terms of their general implications for dislocation patterning.

Chaotic, memory, and cooling rate effects in spin glasses: Evaluation of the Edwards-Anderson model

We investigate chaotic, memory, and cooling rate effects in the three-dimensional Edwards-Anderson model by doing thermoremanent (TRM) and ac susceptibility numerical experiments and making a detailed comparison with laboratory experiments on spin glasses. In contrast to the experiments, the Edwards-Anderson model does not show any trace of reinitialization processes in temperature change experiments (TRM or ac). A detailed comparison with ac relaxation experiments in the presence of dc magnetic field or coupling distribution perturbations reveals that the absence of chaotic effects in the Edwards-Anderson model is a consequence of the presence of strong cooling rate effects. We discuss possible solutions to this discrepancy, in particular the smallness of the time scales reached in numerical experiments, but we also question the validity of the Edwards-Anderson model to reproduce the experimental results.