Anomalias termodinâmicas, dinâmicas e estruturais em modelos contínuos de duas escalas para a água

Abstract

Neste trabalho estudamos dois modelos diferentes quanto a presença de anomalias típicas da água. As anomalias em questão são três: anomalia na densidade, que é a expansão do sistema sob resfriamento; anomalia na difusão, quando as partículas do sistema ganham mobilidade sob compressão; e anomalia estrutural, que é a diminuição da organização (estrutura) do líquido quando submetido a compressões ou, equivalentemente, a aumentos de densidade. Os modelos estudados foram o Modelo I, que refere-se a um sistema de partículas idênticas e esféricas, interagindo através de um potencial isotrópico contínuo que possui um ombro repulsivo, e o Modelo II. Os modelos Modelo I e Modelo II diferem apenas quanto ao potencial interpartícula, onde o potencial de interação no Modelo II, além do ombro repulsivo contínuo, possui também uma parte atrativa no potencial. Encontramos várias semelhanças entre os resultados obtidos para a água - tanto em experimentos quanto em simulações - e os resultados obtidos para os modelos estudados nesta tese. No caso do modelo de ombro contínuo sem atração entre as partículas - o Modelo I - foram encontradas as anomalias na densidade, na difusão e estrutural. A hierarquia das anomalias, que é a disposição das regiões onde surgem as anomalias no diagrama de fases do sistema, do Modelo I é idêntica aos resultados obtidos com modelos de simulação para a água, como o SPC/E e o TIP5P, e concordam com os dados experimentais. Para o sistema com potencial de ombro contínuo repulsivo e parte atrativa - Modelo II - as mesmas anomalias presentes no Modelo I foram encontradas aqui. Ainda, a hierarquia das anomalias mostrou-se ser a mesma encontrada para a água. Com a inclusão de atração entre partículas obtivemos uma transição líquido-gás e uma transição líquido-líquido para o Modelo II, o que não acontece no Modelo L O Modelo II foi estudado sob a luz da entro pia de excesso, através de uma teoria desenvolvida recentemente, onde se busca conectar a termodinâmica do sistema, por meio da entropia de excesso, com a sua estrutura, por meio da função distribuição radial. Por fim, um estudo detalhado do comportamento da função distribuição radial - ou de pares - é feito e, por meio da entropia de excesso, propomos uma teoria que permite prever a existência ou não da presença de anomalias em um sistema isotrópico, mesmo analisando regiões onde este se comporta de maneira não-anômala.

In this work we study two different models focusing waterlike anomalies. The interesting anomalies are three: density anomaly, when system expands upon cooling; diffusion anomaly, when particles of the system diffuse faster upon compression; and structural anomaly, when system becomes less organized upon compression - or equivalently upon increasing density. The models studied are Modelo I, that is a system of identical spherical particles interacting through an isotropic continuous potential having a repulsive shoulder, and Modelo lI. The only difference between Modelo I and Modelo II is the interpaticle potential. The potential of Modelo II has a continuous repulsive shoulder plus an attractive part - absent in Modelo r. Were found several similarities between the results for water - experiments and simulations - and the ones obtained for the models studied in this thesis. In the case of a repulsive shoulder with no attractive part - Modelo I - were found density, diffusion, and structural anomalies. Besides, the hierarchy of anomalies, i.e., the order in which the region of anomalies are organized in the phase-diagram, is identical to the one obtained with simulation models for water, such as SPC/E and TIP5P. The experimental data support these findings. For the system with a repulsive shoulder and attractive part potential - Modelo II - the same anomalies present in Modelo I are present here. The hierarchy of anomalies for the Modelo II is the same as for Modelo I - and obviously the same as for water. Because of the attractive part in the interparticle potential a liquid-gas and liquid-liquid transitions were found, absent in Modelo r. Next, Modelo II is studied upon the framework of excess entropy throughout a recent theory in whichthe thermodynamicof the system- by meansof excessentropy- is connectedto its structure through the pair distribution function. Finally, a detailed study of the behaviour of the pair distribution function is made. Here we propose an excess entropy-based theory which allow one to predict the appearence or not of anomalies in a system eventhought the system is analized in a region in which no anomaly is present.