Estudamos nesta tese três sistemas desordenados distintos das áreas de vidros de spins e fluidos complexos, por meio de modelos estatísticos no contexto da aproximação de campo médio. Analisamos os efeitos da inclusão de graus de liberdade elásticos sobre o diagrama de fases do modelo de Sherrington-Kirkpatrick, que é a versão de campo médio de um modelo popular de vidros de spins, paradigmas de sistemas com desordem temperada. Analisamos em seguida alguns problemas típicos da física dos fluidos complexos. Investigamos o diagrama de fases de um modelo de Maier-Saupe (MS), que é uma espécie de arquétipo das transições nemáticas, numa versão de rede muito simples, denominada modelo de Maier-Saupe-Zwanzig (MSZ), com a introdução de uma variável binária de desordem para representar uma mistura de discos e cilindros. Mostramos que o aparecimento de uma fase nemática biaxial, termodinamicamente estável, que tem sido intensamente procurada na literatura, depende da forma de tratamento das variáveis de desordem. Finalmente, utilizamos o modelo MSZ, na presença de termos elásticos não lineares e de elementos de desordem, a fim de reproduzir diversas características do comportamento termodinâmico dos elastômeros nemáticos, novos materiais poliméricos, com propriedades dos cristais líquidos nemáticos e das borrachas, tema de grande interesse na física da matéria mole. / We study three distinct disordered systems in the areas of spin glasses and complex fluids, by means of mean-field statistical models. We first analyze the effects of compressibility on the phase diagram of the Sherrington-Kirkpatrick model, a mean-field version of a popular model of spin glasses, which are paradigmatic examples of systems with quenched disorder. We then analyze some typical problems in the area of physics of complex fluids. We investigate the phase diagram of a Maier-Saupe model (MS), which is a sort of archetype of nematic transitions, in a simple lattice version called Maier-Saupe-Zwanzig model (MSZ), with the introduction of a binary variable of disorder to mimic a mixture of rod-like and plate-like mesogens. We show that the emergence of a stable nematic biaxial phase, which has been intensely pursued in the literature, depends on the form of treatment of the disorder variables. Finally, we use the MSZ model, in the presence of non-linear elastic terms and elements of disorder, to reproduce several aspects of the thermodynamic behavior of nematic elastomers, new polymeric materials with the properties of liquid crystals and rubber, and of great importance in the area of soft-matter physics.

Na coexistência de fases, os campos termodinâmicos são grandezas constantes ao longo da coexistência. Quando o estudo desses sistemas é feito através de simulação de Monte Carlo, no entanto, os resultados obtidos para os campos podem apresentar laços, a depender do ensemble. Na literatura, os laços de potencial químico são conhecidos há bastante tempo e são atribuídos à interface mas não há trabalhos que discutam a restauração da convexidade. No caso do laço da temperatura, há trabalhos mais recentes, que apresentam dados para um buraco convexo na entropia em modelos de rede. Neste trabalho, retomamos o argumento heurístico de Terrell Hill da década de 60 e demonstramos numericamente a equivalência entre os ensemble canônico e grande canônico, bem como entre o microcanônico e o canônico. Além disso, pudemos restaurar a convexidade do potencial químico, reinterpretando a relação entre a energia livre termodinâmica e a energia livre estatística com a inclusão da contribuição da energia livre da interface. Nossa interpretação dos dados de simulação permitiu estabelecer um método muito simples para o cálculo da tensão superficial da interface. Na literatura, não temos métodos bem estabelecidos e gerais para o cálculo da pressão de equilíbrio em modelos de rede no ensemble canônico para mistura. O método de Gibbs-Duhem é muito simples apenas para sistemas puros. Estamos propondo um método para o cálculo da pressão no ensemble canônico para modelos de rede, que pode ser aplicado a misturas. O método é baseado na discretização da energia livre com relação ao volume, e descreve a variação do volume em termos da retirada de uma coluna vazia ou ocupada por partículas. Para sistemas puros, comparamos nosso método com os métodos de Dickman e de Gibbs-Duhem. Mostramos que nossa proposta leva a resultados que se aproximam dos resultados de Gibbs-Duhem, que pode ser considerado exato, à medida que aumentamos a rede. Verificamos que o método de Dickman não é adaptado para o estudo da coexistência de fases, pois o sistema não apresenta um dos laços que permite estabelecer a densidade da fase de densidade maior. Os resultados para altas densidades são incorretos. Isso ocorre devido ao fato do método não permitir a utilização de condição periódica de contorno, em uma das direções. Nosso trabalho foi realizado para os modelos de fluido de rede, puro e mistura, com interações isotrópicas, e para o modelo de Bell, de um sistema puro, que apresenta interações orientacionais. Os resultados foram obtidos utilizando o algoritmo de Metropolis, o algoritmo Wang-Landau, e uma adaptação do método Multicanônico com o algoritmo de Wang-Landau. O uso dos dois últimos é imprescindível para o estudo da equivalência de ensembles. / The thermodynamic fields are constant quantities along the co-existence isoterms. However, when the study of theses systems is done through Monte Carlo simulation, loops may be present, depending on the ensemble. The chemical potential loops have been known for a long time and have been understood as due to the interface. However, there are no studies which discuss the restoration of convexity, to our knowledge. In the case of loop of temperature, there are more recent works which point to of the a convex dip in entropy. In this research, we recover Hills heuristic argument from the 60s and numerically demonstrate the equivalence between the canonical and grand canonical ensembles, as well as between the microcanonical and canonical ensembles. Furthermore, we could restore the convexity of the chemical potential, reinterpreting the relation between the thermodynamic free energy and statistical free energy, through the inclusion of the contribution of the free energy of the interface. Our interpretation of simulation data made it possible to establish a very simple method to calculate the surface tension of the interface. In the literature, there are no well established or general methods to calculate the equilibrium pressure of lattice models for mixtures in the canonical ensemble. The Gibbs-Duhem method is very simple only for pure systems. We propose a method to calculate the pressure in the canonical ensemble for lattice models, which can be applied to mixtures. The method is based on the discretization of free energy related to volume and describes the variation in terms of the withdrawal of a lattice line, either empty or occupied by particles column. For pure systems, we have compared our method to Dickman\'s and to the Gibbs-Duhem method. We showed that our method reaches results which are close to the results of Gibbs-Duhem method, which can be considered exact, as we increase the lattice. We verified that the Dickman method is not adapted to the study of phase coexistence, since isotherms do not present one of the loops that allows establishes the density of the phase of higher density. Also, the results for high density are wrong. This happens because the method does not alow the of periodic boundary condition in one of the directions. Our investigation was carried out for pure fluids, both for isotropic orientational interactions, and for mixtures, for the case of isotropic interactions. The results were obtained by using the Metropolis algorithm, the Wang-Landau algorithm, and an adaptation of the Multicanonical method with the Wang-Landau algorithm. The two last are mandatory in the study of the equivalence of ensembles.

A caracterização estática dos sistemas caóticos clássicos dissipativos tem sido realizada através do cálculo das dimensões generalizadas \'D IND. q\' e do espectro de singularidades f(alfa). Os métodos mais comuns de cálculo numérico dessas funções utilizam algoritmos de contagem de caixa. Porém, esses algoritmos produzem um erro sistemático através de \'caixas espúrias\', levando a resultados distorcidos. Por essa razão, estudamos métodos numéricos que não utilizam o algoritmo de contagem de caixa, verificando em que casos eles podem ser aplicados eficazmente e propusemos um novo algoritmo de contagem de caixa que reduz o número de \'caixas espúrias\', obtendo melhores resultados. / The static caracterization of classical dissipative chaotical systems has been achieved by the calculation of the generalized dimensions \'D IND. q\' and the spectrum of singularities f(alfa). The most used numerical methods of evaluating these functions are based on box counting algorithms. The results obtained by those methods are distorced by the presence of \'spurious boxes\' generated intrinsecally by these algorithms. For this reason, we have studied numerical methods that don\'t use box counting algorithms, and we have tried to verify in which kind of sets they give best results. We also have proposed a new box counting algorithm that reduces the number of \'spurious boxes\', and led to better results.

Neste trabalho, estudamos modelos para crescimento de superfície. Mais especificamente, trabalhamos com um modelo que respeita a condicão RSOS e outro modelo que apresenta uma transicão de rugosidade da classe de universalidade da percolacão direcionada. Obtivemos resultados com aproximacão de campo médio e simulacão. / In this work we studied models for surface growth. More specifically, we worked with a model that presents the RSOS restriction and another one that displays a depinning transition in the direct percolation universality class. We obtained results using mean field approximation and simulation methods.

Esta tese explora tópicos de Filosofia da Mecânica Estatística e sua inserção no Ensino de Física. Levanta-se inicialmente a discussão filosófica entre o reducionismo e o emergentismo. Esta questão permeia os debates científicos em Mecânica Estatística e em outras áreas, mas costuma ficar fora dos currículos escolares e universitários. Defendemos que esta discussão tem grande valor educacional para a formação do futuro professor e dos futuros cidadãos, mostrando como a ciência de fato é construída, e revelando aspectos da ciência para os quais não há uma visão de consenso único. Além disso, a natureza de modelos e aproximações foi estudada, sendo explorados diversos modelos de Mecânica Estatística, visando seu uso em sala de aula. Ao final da tese, apresenta-se uma proposta de curso onde essas questões poderão ser discutidas em sala de aula, contribuindo para um enriquecimento dos estudos sobre a Natureza da Ciência. / This thesis explores topics in the Philosophy of Statistical Mechanics and their use in Physics Teaching. It begins with the philosophical discussion between reductionism and emergentism. This issue is present in the scientific debates in Statistical Mechanics and other fields, but is usually not treated in high school and university courses. We argue that this discussion has great educational value for the future teachers and citizens, showing how science is constructed and revealing aspects of science about which there isn\'t a consensus. The nature of models and approximations is also studied, and various models in Statistical Mechanics are explored, in connection to their use in the classroom. At the end, a proposal for a course syllabus is presented, in which the issues explored in this thesis can be discussed in the classroom, contributing to the enrichment of the studies on the Nature of Science.

Neste trabalho estudamos o efeito da temperatura T e do campo magnético externo H sobre o modelo de Ising de spin 1/2 com interações competitivas J1 e J2 = -pJ1 entre primeiros e segundos vizinhos, respectivamente, numa direção axial (modelo ANNNI), e o efeito do campo de anisotropia cristalina D sobre o estado fundamental de um modelo ANNNI de spin maior que 1/2. No primeiro modelo levantamos os diagramas de fases p-T e H-T na aproximação de campo médio. Nestes diagramas encontramos diversos tipos de transições de fases tais como transições quase-contínuas e transições singular-contínuas. Encontramos também evidências da existência de pontos ípsilon () e pontos superdegenerados até então só encontrados nos diagramas de fases do estado fundamental de modelos do tipo Frenkel-Kontorova. No segundo modelo levantamos os diagramas p-D a T=0 para os dez primeiros valores de spin S. Estudamos a evolução das fronteiras de fases e de pontos de encontro de mais que duas fases sobre estas fronteiras conforme S é variado. Constatamos que as diferenças entre diagramas com S inteiro e diagramas com S semi-inteiro tendem a desaparecer com o crescimento de S. / In this work we studied the effect of the temperature T and external magnetic field H on the spin 1/2 lsing model with competing interactions J1 and J2 = -pJ1 between the first- and second-neighbors, respectively, along an axial direction (ANNNl model), and the effect of the crystal field anisotropy D on the ground state of the ANNNl model with spins greater than 1/2. In the first model we built the p-T and H-T phase diagrams in the mean-field approximation. In these phase diagrams we found various types of phase transitions such as quasi-continuous and singular-continuous phase transitions. We also found evidences for the upsilon point (1) and superdegenerate points, which have previously been found only on the groundstate phase diagrams of Frenkel-I<ontorova type models.

Estudamos o comportamento crítico e transições de fase em modelos estocásticos irreversíveis, através de simulações numéricas, análise de campo médio e séries perturbativas. Na primeira parte do trabalho, analisamos o comportamento crítico de autômatos celulares irreversíveis, cujas regras dinâmicas são invariantes sob as operações de simetria do grupo C3v. Estudamos as transições de fase dinâmicas que ocorrem nos modelos e obtemos, através de simulações de Monte Carlo, expoentes críticos estáticos e dinâmicos. Nossos resultados indicam que os modelos pertencem a mesma classe de universalidade do modelo de Potts de três estados. Essa conjectura também foi desenvolvida considerando expansões análogas àquelas utilizadas na teoria de Landau de transições de fase. Na segunda parte do trabalho utilizamos o formalismo de operadores como uma forma ele abordar problemas de sistemas ele não-equilíbrio. Aplicamos o formalismo para construir séries perturbativas para modelos irreversíveis ele dois estados. / We study the critical behavior and phase transitions that take place in irreversible stochastic models through numerical simulations, mean field analysis and perturbative series. In the first part of this work we analyze the critical behavior of irreversible cellular automata whose dynamic rules are invariant under the symmetry operations of the point group C3v. We study the dynamical phase transitions that occur in the models and we obtain the static and dynamic critical exponents by the use of Monte Carlo simulations. Our results indicate that these models are in the same universality class as the three-state Potts model. This conjecture is also developed by considering expansions that are similar to those used in the Landau theory of phase transitions. In the second part of this work we use the operator fonnalism as a way to approach non- equilibrium systems. We apply this fonnalism in order to build perturbative series for two-state irreversible models.

No presente trabalho, nós desenvolvemos um modelo de mecânica estatística para a dinâmica do cotransporte. Em particular, foram analisados o simporte de lactose e H+ catalisado pela LacY, e o antiporte de triose-P e Pi catalisado pelo TPT. Em ambos os casos, nosso ponto de partida foi determinar a curva de energia livre do ciclo de transporte com base na estrutura bioquímica de cada estado. Então, usando o algoritmo de Metropolis em um modelo do caminho aleatório não-homogêneo, nós determinamos a dinâmica do ciclo expressa na curva de energia livre obtida anteriormente. Tanto no caso da LacY quanto no caso do TPT, a concordância entre as predições do nosso modelo e os dados experimentais sugere que a nossa curva de energia livre é apropriada para descrever os processos de transporte através da membrana plasmática. / In the present work, we developed a statistical mechanical model for the dynamics of cotransport. In particular, the symport of lactose and H+ and the antiport of triose-P and Pi were analyzed. In both cases, our starting point was to determine the free-energy curve of the transport cycle based on the biochemical structure of each state. Then, using the Metropolis algorithm in a nonhomogeneous random walk model, we determined the dynamics of the cycle expressed in the free-energy curve obtained previously. Both in the case of LacY and TPT, the agreement between our model predictions and the experimental data suggests that our free-energy curve is appropriate for describing the transport process across the plasma membrane.

Conexões de ordem mais alta do que dois entre neurônios são estudadas, principalmente para duas regras de aprendizado, a saber, o modelo de Hopfield generalizado e o modelo Truncado. Ambos modelos podem ser considerados como correções ao modelo de Hopfield original, que contém somente interações entre pares de neurônios. Para o modelo Truncado, as regras de aprendizado contêm misturas de memórias, diferentemente de todas prévias generalizações do modelo de Hopfield. As propriedades de equilíbrio são analisadas usando teoria de campo médio (réplicas) e comparadas com simulações numéricas. A dinâmica, no limite de extrema diluição, é também investigada. Nas versões completamente conexas, enquanto o comportamento de um dos modelos qualitativamente se assemelha ao de Hopfield, o outro apresenta um novo e rico comportamento: dependendo da temperatura T e do peso e das conexões de quarta ordem, o sistema apresenta duas regiões distintas de recuperação, separadas por uma lacuna, assim como várias transições de fase. Além disso, aparentemente os estados de vidro de spin desaparecem acima de um certo valor do parâmetro de armazenamento a. Um algoritmo ótimo de aprendizado é introduzido, o qual aumenta a capacidade de armazenamento sem aumentar os pesos dos termos de ordem mais alta. A dinâmica pode apresentar pontos fixos, órbitas periódicas e caóticas, dependendo novamente dos pesos e, do nível de ruído T e da carga da rede a. Como no caso anterior, há um valor ótimo no valor dos pesos que aumenta a capacidade do sistema. / High order connections between neurons are studied, mainly for two different learning rules, the oves from the generalized Hopfield and Truncated models. Both terms may act as corrections to the original, two neuron interaction Hopfield model. In the truncated model, the learning rules contain mixing of memories, differently from ali generalizations of the Hopfield model. Equilibrium properties are analyzed using the replica mean-field theory and compared with numerical simulations. The dynamics, in the extreme dilution limit, is also investigated. In the fully connected versions, while the behavior of one model qualitatively resembles the original Hopfield one, the other presents a new and very rich behavior: depending on temperature and the strength e of the fourth order connections, the system presents two distinct retrieval regions separated by a gap, as well as several phase transitions. Also, spin glass states seems to disappear above a certain value of the load parameter a. An optimal learning algorithm for fourth order connections is given and the storage capacity is improved without increasing the weight of the higher order term. The dynamics may display fixed points, periodic and chaotic orbits depending on the weight of the high order connections e, the noise levei T and the network load. As in the related fully connected case, there is an optimal value of the weight e that improves the storage capacity of the system.

O modelo bidimensional de Ising com interações competitivas entre um termo ferromagnético, de curto alcance, e outro antiferromagnético, de longo alcance, é o modelo mais simples para descrever filmes finos e materiais magnéticos quase-bidimensionais. A frustração, introduzida pelo termo dipolar no Hamiltoniano, é responsável por uma dinâmica lenta e uma fenomenologia rica. Neste trabalho estudamos as propriedades de equilíbrio e fora de equilíbrio do modelo Ising-Dipolar para certos valores de (j (parâmetro que mede a intensidade de uma interação frente à outra). Calculamos várias quantidades termodinâmicas, como energia livre, entropia e calor específico, e determinamos a natureza da transição de fase para δ = 1. Verificamos que a relaxação da função de autocorrelação spin-spin, acima da temperatura de transição, é do tipo stretch exponentíal. Além disso, realizamos experiências de não equilíbrio, como coarsening, em que verificamos a presença de uma fase metaestável, e histerese, em que conseguimos super-resfriar a fase desordenada para δ= 2. / The two-dimensional lsing model with competitive short-range ferromagnetic and longrange antiferromagnetic interactions, is the simplest model to describe thin films and quasitwo- dimensional magnetic materiaIs. The frustration, introduced by the dipolar term in the Hamiltonian, is responsible for a slow down in the dynamics and a rich phenomenology. ln this work we studied the equilibrium and off-equilibrium properties of the lsing-Dipolar model for certain <5values (parameter that measures the intensity between the two terms). We calculated several thermodynamical quantities, as free energy, entropy and specific heat, and checked the nature of the phase transition for δ = 1. We verified that the relaxation of the spin-spin autocorrelation function, above the transition temperature, is stretch exponential. Moreover, we did out of equilibrium experiments, as coarsening, where we verified the presence of a metastable phase, and hysteresis, where we supercooled the disordered phase for δ= 2.