11.3.2: Modelo de interacción

La razón de nuestro modelo de partición es que queremos controlar la interacción entre el sistema y su entorno. Diferentes sistemas físicos tendrían diferentes modos de interacción, y diferentes mecanismos para aislar diferentes partes. Aquí se describe un modelo simple para la interacción de dipolos magnéticos que están alineados en una fila. Se ofrece como ejemplo.

Supongamos que el aparato que sostiene los dipolos magnéticos permite que los dipolos adyacentes se influencien entre sí. Esta influencia podría ser hacer que un dipolo cambie de arriba a abajo o viceversa. Naturalmente, si un dipolo influye en su vecino, entonces su vecino al mismo tiempo lo influye. Es razonable suponer que si un dipolo cambia su estado de, digamos, de arriba a abajo, entonces el vecino que interactúa con él debe cambiar su estado en la dirección opuesta. El efecto es que los dos dipolos intercambian sus orientaciones. El número total de dipolos orientados en cada dirección permanece fijo.

Considera dos dipolos adyacentes que intercambian sus orientaciones: el de la izquierda termina con la orientación con la que comenzó el de la derecha, y viceversa. Solo hay unos pocos casos diferentes.

Primero, si los dos dipolos comenzaran con la misma orientación, nada cambiaría. Por otro lado, si los dos dipolos comenzaran con diferentes orientaciones, el efecto sería que el patrón de orientaciones ha cambiado —la orientación hacia arriba se ha movido hacia la izquierda o hacia la derecha. Esto ha ocurrido a pesar de que los propios dipolos no se han movido. Dado que la energía asociada a las dos posibles alineaciones es diferente, se ha producido un pequeño cambio en la ubicación de la energía, a pesar de que la energía total no ha cambiado.

Segundo, si ambos dipolos están en el sistema, o ambos están en el ambiente, entonces la energía puede haber cambiado de posición dentro del sistema o del ambiente, pero no se ha movido entre ellos.

Tercero, si los dos dipolos comenzaron con diferente alineación, y se ubican uno a cada lado del límite entre el sistema y el ambiente, entonces la energía ha fluido del sistema al ambiente o viceversa. Esto ha ocurrido no porque los dipolos se hayan movido, sino porque las orientaciones se han movido.

La energía que se transfiere hacia o desde el sistema como resultado de interacciones de este tipo se conoce como calor. A continuación se da una fórmula para el calor en términos de cambios de distribución de probabilidad.

A veces este tipo de proceso se conoce como “mezcla” porque el efecto es similar al de diferentes tipos de partículas que se mezclan entre sí. Sin embargo, en esta analogía los dipolos no se mueven; es su patrón de orientaciones o sus energías microscópicas los que se han movido y mezclado.

Supongamos que podemos, al colocar o eliminar las barreras adecuadas, inhibir o permitir este proceso. Por ejemplo, el proceso podría inhibirse simplemente alejando el sistema de su entorno físicamente. Los dispositivos de conversión de energía generalmente usan secuencias donde se fomenta o desaconseja la mezcla en diferentes momentos.