Mecánica estadística y simulación de fluidos altamente confinados - Paganini, Iván Eduardo (2019)
En esta tesis se estudiaron fluidos simples sometidos a confinamiento por paredes rígidas de diversas formas. Primariamente se realizaron cálculos analíticos de mecánica estadística y simulación computacional. El confinamiento limita la región del espacio disponible para las partículas que forman el fluido, induciendo la inhomogeneidad del sistema. Para describir el fluido se utilizaron potenciales de interacción simples acorde con una mirada de grano grueso. Esta falta de detalle apunta a centrar la atención, no en las propiedades específicas del fluido, sino en el efecto del confinamiento. Las distintas formas de confinamiento incluyeron paredes planas y cavidades con curvatura. Pusimos especial interés en cavidades muy pequeñas, con dimensiones del orden del radio de las partículas. Este tipo de confinamiento conduce a un marcado aumento de los efectos de borde respecto de los de volumen. Caracterizamos unos pocos coloides confinados en un nanoporo esférico describiendo sus fases. Estudiamos gases a baja densidad en confinamiento esférico y cilíndrico y presentamos la interfase fluido-pared utilizando integrales de cluster. Asimismo, analizamos el confinamiento por pared plana de un líquido modelo evaluando su adsorsión y tensión superficial, alcanzando altísimos niveles de precisión. Por último, estudiamos el flujo de un líquido simple en un nanocanal cilíndrico, mediante sus distribuciones no triviales de densidad, velocidad y temperatura. Por el lado de la teoría se destaca primariamente el desarrollo de modelos que describen el comportamiento termodinámico de superficie en función de parámetros como la curvatura o la temperatura. Para producir resultados analíticos con la mayor generalidad posible, trabajamos con potenciales de interacción simples como hard spheres (HS), square well (SW) y Lennard-Jones (LJ). Los sistemas tratados son también de geometría sencilla como la pared plana, esférica y cilíndrica. En todos los casos el confinamiento está dado por paredes rígidas, es decir puramente repulsivas y de contacto. Hemos utilizado resultados previos del grupo sobre la función de partición de pocas partículas SW en un poro esférico, para describir su comportamiento termodinámico en todo el espacio de parámetros. Mediante la expansión del virial pudimos deducir expresiones analíticas de magnitudes termodinámicas de superficie como la tensión superficial para gases confinados. Por otro lado, también exploramos cómo abordar sistemas fuera de equilibrio con una inhomogeneidad marcada en densidad y temperatura. Para la ejecución de las simulaciones se utilizó el algoritmo regido por eventos (event driven), especialmente efectivo para trabajar con potenciales constantes a trozos, como el SW. Los eventos que dictan la dinámica del sistema son las colisiones: de los núcleos de partículas, de los campos de las partículas y de núcleos de partículas con la pared rígida. Para las simulaciones, aprovechando las dimensiones reducidas del sistema, se utilizó un termostato de pared térmica, que es un modelo realista de cómo intercambia calor un sistema con el medio confinante. Durante la ejecución de las simulaciones se midieron una serie de magnitudes en forma de perfiles según la simetría de la cavidad. Las magnitudes se emplearon en trabajos de caracterización en función de parámetros relevantes. También, se utilizaron para contrastar con resultados teóricos o para brindar los datos necesarios para efectuar ajustes con modelos aproximados.