Transporte de calor en sistemas de baja dimensión dependientes del tiempo

Abstract

En esta tesis se propone el estudio del transporte de calor en sistemas unidimensionales que se encuentran alejados del equilibrio debido a la acción de agentes termomecánicos dependientes del tiempo. Primero, se estudia numéricamente el transporte térmico en una cadena de osciladores que conforman un sistema clásico con interacciones locales sujeto a diferentes perturbaciones dependientes del tiempo. Caracterizamos los diferentes regímenes de transporte en función de parámetros relevantes asociados a las perturbaciones temporales. Posteriormente, el estudio numérico se extiende a una cadena de osciladores cuánticos acoplados localmente, con perturbaciones dependientes del tiempo. Utilizando el formalismo de funciones de Green de no equilibrio de Keldysh, analizamos las condiciones para generar diferentes regímenes de transporte térmico. Por último, extendemos el sistema cuántico analizando el rol de la localidad de las interacciones interpartículas.

In this thesis, we propose the study of heat transport in one-dimensional systems that are far from equilibrium due to the action of time-dependent thermomechanical agents. In order to study both thermodynamic and nonequilibrium properties, we focus on calculating steady-state heat fluxes in accordance with the fundamental principles of thermodynamics. In the first stage, various aspects of thermal transport are studied in a chain of oscillators that form a low- dimensional classical system with different time- dependent nonequilibrium sources (temporal modulations), when interactions between particles are local (nearest-neighbor). Based on a Langevin dynamics approach, we analyze and characterize different transport regimes as a function of relevant parameters associated with temporal perturbations. The numerical study is carried out using molecular dynamics techniques. Subsequently, the study is extended to a chain of locally coupled quantum oscillators subjected to the action of a time-dependent mechanical agent. We analyze the conditions required to generate different thermal transport regimes. Finally, we extend the quantum system to the case of three chains connected through temporally modulated contacts, comparing and characterizing the regimes for both local and nonlocal particle interactions. In the last two cases, the study was based on the application of the nonequilibrium Green’s function formalism of Keldysh and on numerical simulations.

Nesta tese, propõe-se o estudo do transporte de calor em sistemas unidimensionais que se encontram fora do equilíbrio devido à ação de agentes termomecânicos dependentes do tempo. Com o objetivo de estudar tanto as propriedades termodinâmicas quanto as propriedades fora do equilíbrio, enfocamos o cálculo dos fluxos de calor em regime estacionário de acordó com os princípios fundamentais da termodinâmica. Numa primeira etapa, estudam-se diversos aspectos do transporte térmico em uma cadeia de osciladores que constituem um sistema clássico de baixa dimensão com diferentes fontes de não equilíbrio dependentes do tempo (modulações temporais), quando as interações entre partículas são locais (primeiros vizinhos). A partir de uma dinâmica de Langevin, analisamos e caracterizamos os diferentes regimes de transporte em função de parâmetros relevantes associados às perturbações temporais. O estudo numérico é realizado utilizando técnicas de dinâmica molecular. Posteriormente, o estudo é estendido a uma cadeia de osciladores quânticos acoplados localmente e submetida à ação de um agente mecânico dependente do tempo. Analisamos as condições para gerar diferentes regimes de transporte térmico. Por fim, estendemos o sistema quântico ao caso de três cadeias conectadas por contatos modulados temporalmente, comparando e caracterizando os regimes para o caso de interações locais e não locais entre partículas. Nos dois últimos casos, o estudo baseou-se na aplicação do formalismo de funções de Green de não equilíbrio de Keldysh e em simulações numéricas.