miércoles, 5 de octubre de 2011

El Juego de la Termodinámica

Se considera que las Leyes de la Termodinámica son las leyes de «más categoría» de toda la física, y por ende, de toda la ciencia. Son las más comprobadas de toda la ciencia, y se consideran auténticos pilares de la física. Si algún día se demostraran equivocadas, toda nuestra ciencia moderna se tambalearía.

Y sin embargo, pese a su importancia, son menos conocidas por el «ciudadano de a pie» que otras, como la Ley de Gravitación Universal, o la Ley de Acción y Reacción (Tercera Ley de Newton). Pues bien, en el artículo de hoy las repasaremos utilizando una divertida forma de recordarlas (una conocida formulación humorística de las tres leyes clásicas de la termodinámica, cuyo origen desconozco).


En la Primera Ley de la Termodinámica la sencilla ecuación, E = mc2, demostraba que la masa y la energía eran en realidad magnitudes equivalentes. La masa de los cuerpos naturales tenía energía y ésta poseía, a su vez, masa. Como la masa refleja la cantidad de materia que hay en los objetos, resultaba posible afirmar que la materia era, en efecto, “energía atrapada”. Si se liberaba dicha energía, desaparecía o se destruía también la materia y, al revés, si se conseguía concentrar la suficiente energía aparecía de nuevo la materia.

Mediante los modernos aceleradores de partículas subatómicas se hizo posible aumentar la velocidad de los electrones y protones hasta comprobar que, en efecto, sus masas aumentaban también considerablemente.

Basándose en los planteamientos de Einstein, el matemático inglés, Paul A. M. Dirac, predijo en 1930 que si se pudiera concentrar suficiente energía, sería posible crear materia. Esta intuición se demostró tres años más tarde, cuando un colega suyo, llamado Carl Anderson, observó la aparición de un antielectrón. El físico Paul Davies lo explica así:

Carl Anderson, en 1933, se encontraba estudiando la absorción de los rayos cósmicos (partículas de alta energía provenientes del espacio) por láminas metálicas cuando reconoció de una manera inequívoca la aparición del antielectrón de Dirac. Se había creado materia en el laboratorio en un experimento controlado. Se verificó rápidamente que las nuevas partículas poseían las propiedades que cabía esperar. Por esta brillante predicción y el posterior descubrimiento, Dirac y Anderson compartieron el Premio Nobel.

"En el intercambio de energía, siempre se perderá energía".En el juego de la termodinámica, sencillamente, no puedes ganar.

La Segunda Ley de la Termodinámica es algo menos conocida, y más «críptica». Puede que a alguno le suene como la ley de «eso raro de la entropía». En efecto, la enunciación más común de la Segunda Ley nos dice que la entropía de un sistema (cerrado y que no esté en equilibrio), tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar el equilibrio.

¿Y eso qué significa? ¿Qué es eso de la entropía? Bueno, podemos definir la entropía como la «energía no aprovechable» para realizar un trabajo. Es decir, una energía que está ahí, pero que no podemos utilizar. ¿Y cómo es eso? Veamos, cualquier objeto del universo, por el mero hecho de estar a una temperatura superior al cero absoluto (0 K), tiene una energía interna, que denominamos calor (en realidad, siendo puristas, el calor es la transferencia de esa energía interna, pero de momento no necesitamos ser tan precisos). Pero para aprovechar ese calor, el objeto debe poder transferirlo a otro. Y para que esto ocurra, ese segundo objeto debe tener menor temperatura.

Esto es muy fácil de entender si pensamos en lo siguiente: imaginemos que tenemos una jarra de leche caliente, y otra de leche fría. Si mezclamos ambos líquidos, la leche fría se calentará, y la caliente se enfriará, hasta que tengamos toda la leche a la misma temperatura. Sin embargo, si volvemos a separar la leche en dos jarras, nunca, jamás de los jamases, una se enfriará a costa de la otra (que se calentaría), de forma natural. Al mezclar la leche de las dos jarras, hemos realizado un proceso irreversible. Si queremos volver a tener una diferencia de temperatura entre las jarras, necesitaremos una fuente de energía externa, para «bombear» el calor de una a la otra.

Así que podemos pensar que la Segunda Ley nos dice que el calor fluye de forma natural de los cuerpos de más temperatura, a los de menos. Y si queremos invertir ese proceso, necesitamos aplicar energía. Por eso los aires acondicionados y los frigoríficos consumen energía, a pesar de extraer calor (energía) de otros objetos, ya que ese calor extraído no es aprovechable.

Una de las consecuencias de esta ley (y así la definió Lord Kelvin), es que no podemos transformar el 100% del calor en energía aprovechable. O lo que es lo mismo, no existe ningún proceso de transformación de energía, 100% eficiente. En todo proceso, perderemos algo de energía, en forma de calor, que se utilizará para elevar la temperatura de algún componente de nuestra máquina, o de su entorno, y no podremos aprovechar.

Durante siglos, los inventores han intentado también encontrar una forma de transformar la energía, con una eficiencia del 100%. Pero eso sería una «máquina de movimiento perpetuo de segunda especie», algo menos ambiciosa que la de primera especie, pero igualmente imposible, ya que la Segunda Ley nos lo impide.

"En el juego de la termodinámica, tampoco puedes empatar."


La Tercera Ley de la Termodinámica, sí que es una «gran desconocida» para público en general. Es «la otra», el George Harrison de la Termodinámica. Y sin embargo también es fundamental, ya que nos permite definir escalas absolutas de temperatura. Básicamente nos dice que es imposible alcanzar la temperatura de 0 K (cero absoluto), en un número finito de procesos, lo que en la práctica significa que es imposible alcanzar dicha temperatura.

Eso quiere decir que todos los objetos del universo tienen una temperatura superior a 0 K, por lo que todos los objetos del universo, tienen algo de calor, aunque sea muy poco. Y por tanto, ninguno escapa de la Termodinámica.

En el juego de la termodinámica, ni si quiera puedes abandonar.


Si nos quedamos con las tres leyes clásicas de la termodinámica, tenemos un juego en el que nunca querríamos participar, si tuviéramos la posibilidad de elegir:

No puedes ganar.

No puedes empatar.

No puedes abandonar.

Así que sólo nos queda perder. Y ciertamente, si el universo durase lo suficiente, llegaría un momento en el que todas sus partículas estarían a la misma temperatura, y sería imposible ningún proceso termodinámico. Es lo que se conoce como la Muerte Térmica del Universo.

Pero no podemos elegir. Es el juego que nos ha tocado jugar, y no podemos cambiar sus reglas.



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