• Prof. Cerebrón

La entropía es más que el caos

Updated: Jul 7, 2020

La entropía es una forma de energía que suele ser complicada de entender. Se suele relacionar con el caos de un sistema o del universo debido a que es un poco más sencillo de concebir de esta forma. Sin embargo, esta concepción puede ser considerado un poco burda para la verdadera profundidad que posee. Los efectos de la entropía son muy conocidos. Por ejemplo, todos sabemos que el calor siempre fluye de manera natural de la mayor temperatura a la de menor temperatura, o bien, que nosotros envejecemos y no rejuvenecemos a lo largo de nuestra vida. Por lo tanto, la entropía describe los límites de lo que puede hacer el universo y, adicionalmente, describe hacia dónde va el universo. En términos generales, este tipo de energía trata sobre la ineficiencia, la dispersión y degeneración de energía. Porque resulta que todo lo que hacemos derrocha energía y hay procesos que son irreversibles. Más aún, el concepto de entropía involucra al posible final del universo.



Como bien se sabe, desde la prehistoria, el fuego ayudó al ser humano a conocer y a controlar a la energía, en ese caso fue en forma de calor, para su evolución. Eventualmente el dominio en el calor permitió su aplicación en innumerables procesos: desde la cocción de alimentos hasta la fusión nuclear. Aunque a pesar de que el calor ha sido usado por los seres humanos durante milenios, no fue estudiado con profundidad hasta el siglo XVIII con la revolución industrial. Gracias a los grandes cambios que se suscitaron, durante el siglo XIX diversos investigadores e ingenieros dedicaron sus vidas a un estudio más riguroso y formal para alcanzar un mayor entendimiento del calor y la energía. Esto fue el nacimiento de la termodinámica. Como consecuencia, se construían las primeras máquinas para mecanizar el trabajo y el transporte, y desde ese tiempo hasta el día de hoy, las investigaciones tratan de encontrar la manera de hacerlas más potentes y eficientes.


Durante el estudio de la termodinámica, se fueron descubriendo las leyes y principios que rigen al calor, sus formas y su transferencia. Las leyes de la termodinámica son un bloque muy importante en el universo ya que describen cómo se mueve y se transforma la energía dentro de un sistema. El sistema en estudio puede ser desde escalas cuánticas como un átomo, hasta las cósmicas como una estrella. Todo el universo se rige por intercambios de energía de muchas formas. Cuando se estudia a la termodinámica, comúnmente se usa una metáfora de un juego para explicar sus leyes de forma resumida: no puedes ganar, no puedes empatar y no puedes abandonar el juego. Pero incluso esta abstracción aparentemente sencilla necesita de una explicación un poco más extensa.


La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no puede ser creada o destruida, sino transformada a otro tipo energía. Cada sistema tiene energía debido al movimiento de sus moléculas y transfiere esa energía en forma de calor o de trabajo a otros sistemas o a los alrededores. Del mismo, los sistemas pueden adquirir energía del exterior para aumentar su temperatura o para realizar un trabajo. Entonces, si tenemos algo que hace trabajo, es decir, se mueve, su movimiento se podrá volver calor o más trabajo por la interacción con sus alrededores. Entonces ¿eso quiere decir que, si le agrego calor a algo, voy a producir trabajo? Sí, pero no del todo, recuerda que no puedes ganar. Aquí es donde entra la segunda ley y la entropía, las cuales le dan equilibrio a la termodinámica, ya que ellas describen el desperdicio de calor y el trabajo útil.


Existen varios enunciados de la segunda ley, pero, sin importar el autor todos coinciden que la entropía dicta la forma en la que se lleva a cabo un proceso. La segunda ley dice que la entropía de un sistema natural aislado siempre tenderá a permanecer igual o aumentará. En otras palabras, la energía en el universo se está disipando. Como ya se mencionó, popularmente se dice que la entropía es el caos o desorden, pero no es tan simple, el universo no es caótico, sino todo lo contrario. Por eso, no deberíamos de ver a la entropía como desorden de materia, sino “desorden” de la energía. La definición simple que Isaac Asimov expone en su libro “La última pregunta” define a la entropía como “el grado de desgaste del universo” y considero que es más acertado verla como tal. Los sistemas no adquieren entropía, ya tienen entropía porque es inherente a ellos. La entropía aumenta o disminuye porque adquiere o pierde energía; y este intercambio de energía provoca desgaste. Pero medir ese desgaste o intercambio de energía es muy complicado porque es energía disipada. Por lo tanto, la entropía también puede considerarse como una medida de la falta de información sobre un sistema.


Consideremos algunos ejemplos para entender mejor a esta escurridiza propiedad.

Primero imaginemos una pelota que bota. Si dejamos que la pelota bote por su propia cuenta, veremos que eventualmente esa pelota dejará de hacerlo. Esto es porque el trabajo (movimiento) que hace se transfiere en forma de calor a las moléculas del piso cuando lo toca. Después, las moléculas les transfieren energía a las moléculas de junto y así sucesivamente, disipando la energía. Es decir, el trabajo se vuelve calor. Pero la segunda ley -y la experiencia- dice que el camino contrario no se puede realizar. Si calentamos el piso, la pelota no podrá botar, quizá podrá vibrar, pero no botar como lo hacía inicialmente. Esto es debido a que el trabajo es energía más concentrada y está aplicada en una sola dirección y el calor no. El calor al ser una forma de energía más dispersa se transfiere de forma menos concentrada. Si consideramos este ejemplo, la mayor parte del calor se estaría transfiriendo al aire que rodea la pelota y no a ella porque el área de contacto entre piso y pelota es mucho menor. Por lo tanto, todo el trabajo puede convertirse en calor, pero no todo el calor puede convertirse en trabajo; recordemos: no podemos empatar.


Ahora consideremos al hielo. En él, las moléculas de agua se encuentran ordenadas en una red bien definida. Estas moléculas vibran en su sitio, pero no se mueven espacialmente. Si aumentamos su entropía agregando calor, esas moléculas vibrarán más hasta un punto que podrán desplazarse unas sobre otras, de tal modo que se vuelven agua líquida. Si el agua líquida sigue aumentando su temperatura, las moléculas comenzarán a chocar unas con otras volviéndose vapor de agua. La entropía del agua, que inicialmente estaba en estado sólido aumentó durante los cambios de fase hasta un estado que aparentemente es más desordenado. Si retiramos la energía calorífica del gas, el sistema disminuirá su entropía hasta volverse hielo. Pero eso no quiere decir que rompamos la segunda ley, porque la energía retirada del agua para transformarla en hielo, o de la pelota para que deje de botar, tiene que ir a alguna parte, es decir, a los alrededores los cuales aumentarán su entropía. Lo que nos lleva a los refrigeradores.



Los refrigeradores no rompen la segunda ley a pesar de que retiran energía de los cuerpos para enfriarlos porque no son sistemas aislados y requieren de máquinas para poder retirar el calor de los alimentos. Todos poseen un motor que recibe trabajo eléctrico y entrega trabajo mecánico para comprimir un gas refrigerante que después pasará por un condensador y una válvula de expansión para condensarse. De este modo, el gas de menor temperatura retira el calor de los alimentos y lo desecha por el radiador trasero. Si un refrigerador se desconecta, a pesar de tener un aislamiento, eventualmente tendrá la misma temperatura que la habitación por el equilibrio térmico.

Los motores generan trabajo y sabemos que el movimiento crea fricción con otras partes del motor a pesar de usar aceites lubricantes. La fricción provoca que parte de ese trabajo se desperdicie en forma de calor y por lo tanto el trabajo real que puede entregar un motor sea menor que el esperado. A esto se le llama eficiencia y depende de los cambios en entropía, es decir, de cantidad de energía que se pierde. Si el cambio de entropía es grande, el motor entregará poco trabajo y se desgastará más rápidamente. Un caso similar ocurre en los focos. Las bombillas tradicionales reciben trabajo eléctrico que mueve a los electrones por los filamentos del foco transformando el trabajo en luz. Sin embargo, la mayor parte de ese trabajo eléctrico se desperdicia en forma de calor, por eso son poco eficientes. Los focos de LED utilizan mejor la energía. Casi todo el trabajo eléctrico lo transforman en luz y muy poco en calor. De ahí que estos tengan vidas útiles más largas que los primeros, porque su entropía va aumentando muy poco en el tiempo.




La segunda ley también impone una dirección en el tiempo. Por ejemplo, el inevitable envejecimiento de nuestros cuerpos. Nosotros adquirimos materia y energía de los alimentos para poder replicar el ADN de nuestras células y poder continuar con vida. Pero el ADN de nuestras células es una copia de la copia del ADN de nuestras células originales. Las células requieren energía para poder reproducirse y para poder replicar el ADN. Esa energía se va dispersando en forma de calor. Por lo tanto, también la capacidad para replicar el ADN de nuestro cuerpo se va perdiendo por el mismo desgaste energético existente. Es posible retardar los efectos del envejecimiento mediante una vida saludable. Sin embargo, envejecer es un proceso irreversible, la entropía de nuestro cuerpo siempre aumentará. De manera similar, si extrapolamos el hecho de que la entropía del universo aumenta con el tiempo, es decir, que toda la energía eventualmente se disipará en el universo, en algún momento alcanzará un máximo. Por ejemplo, las estrellas dispersan su energía y su materia a la deriva del universo. Así mismo, los átomos y sus partículas decaen en formas más simples o en simple energía respectivamente. Por lo tanto, en un futuro inimaginablemente distante, la energía en el universo se distribuirá uniformemente y, por lo tanto, para todos los propósitos macroscópicos, será inútil. Los cosmólogos llaman a esto la "muerte térmica" del universo, una consecuencia inevitable de la marcha imparable de la entropía. Esto no rompe la primera ley, porque sigue habiendo la misma energía solo que está dispersa en forma de calor.


En un análisis más profundo, Boltzmann describió cómo la entropía también involucra a la probabilidad y a la estadística. Imaginemos que en un frasco de vidrio cerrado tenemos canicas de colores. Hasta abajo se coloca una capa de canicas verdes, sobre ellas las amarillas y sobre ellas las rojas. Si lo dejamos cerrado y sin perturbarlo, la entropía de ese sistema se mantendrá constante, es decir está en equilibrio. No obstante, si decidimos agitarlo, las canicas se moverán aleatoriamente por el frasco para que, al ponerlo en reposo ya no tengan la configuración inicial sino una y solo una nueva. Podemos deducir que existen millones de configuraciones -microestados- posibles a partir de la agitación y cada uno dura un instante. Sin embargo, solo una prevaleció porque tenía la energía disponible para alcanzarla. La energía agregada al sistema en forma de movimiento aumentó la probabilidad de que esa configuración se diera. Aparentemente es aleatorio, pero si lo analizamos detenidamente, de todas las posibles configuraciones había unas que eran más probables se sucedieran y solo se dio una. No es azar, sino transferencia de energía y cambios de entropía en las canicas. Dado que es muy difícil de medir esa transferencia de energía por eso se suele concebir como desorden o azar. Pero por el hecho de saber que hay muchísimos microestados simultáneos decir que la entropía es desorden es sobre simplificarla. Entre más energía le agreguemos al frasco, mayor cantidad de microestados disponibles. La entropía nos ayuda a determinar que es probable y que es posible.



La tercera ley también hace uso del concepto de entropía para poder explicar que el cero absoluto no se puede alcanzar. Si recordamos que la entropía del universo siempre va en aumento y que la energía se disipa en los alrededores, entonces no importa qué tanto bajemos la temperatura de algo, siempre se adquirirá, aunque sea un mínimo de energía de alguna parte. Además, recordemos que necesitamos máquinas como motores y compresores para tratar bajar la temperatura al cero absoluto. Para lograr el cero absoluto también tenemos que eliminar la energía de los átomos y éstos siempre tendrán acceso a un poco de energía, aumentando su entropía, aunque sea un poco. Recordemos que no podemos abandonar el juego.


Las leyes de la termodinámica son las verdaderas regidoras del universo. Si no se tiene la energía necesaria para realizar un proceso es poco probable que ocurra y en algunos de los casos imposible que ocurra a esas condiciones o en ese proceso. Los átomos y partículas subatómicas existen porque la energía del universo después del big bang disminuyó a tal grado que fue posible provocar la excitación adecuada para generar un electrón o un cuark en su respectivo campo. Dependemos de la energía para nuestros procesos actuales y más importante, requerimos de energía para continuar con vida. Sin embargo, entender cómo funciona la entropía y su indiferente evolución, nos hace ser más humildes y más conscientes que en algún momento de la existencia de nuestro universo volveremos a aquella energía de la cual fuimos formados.


Como siempre gracias por leerme.


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#entropia

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