La segunda ley de la termodinámica
Rudolf Julius Emanuel Clausius (físico y matemático alemán, 1822–1888) hizo la declaración original de la segunda ley de la termodinámica en 1850: “El calor por sí mismo no puede pasar de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente.” William Thomson Kelvin (matemático y físico británico, 1824–1907) aplicó esta ley al funcionamiento de las máquinas térmicas. Los motores térmicos requieren una fuente de calor a alta temperatura y un destino para el calor usado a baja temperatura. La declaración de Kelvin dice: “Si no hay diferencia de temperatura entre la fuente y el destino, entonces ningún motor térmico puede funcionar y hacer un trabajo útil.” Eso nos incluye a todos nosotros, ya que los sistemas biológicos funcionan como máquinas térmicas. Las dos declaraciones son equivalentes entre sí.
Originalmente, la segunda ley de la termodinámica se refería al calor. Los ingenieros del siglo XIX intentaron hacer que las máquinas de vapor fueran más eficientes. Los principios que descubrieron se aplican a todos los sistemas que extraen energía del calor y tal vez la utilicen para realizar un trabajo útil. En el curso de descubrir con precisión cuánto trabajo puede hacer el calor, los ingenieros desarrollaron el concepto de entropía. Para ellos, la entropía medía la incapacidad de la energía térmica para realizar trabajo.
Posteriormente otros ampliaron el concepto de entropía. En general, ahora podemos decir que la entropía es cierto tipo de desorden, una medida del número de maneras en que las cosas pueden salirse de su disposición adecuada. Primero, explicaremos cómo se aplica esto al calor.
Una vez que los físicos y químicos entendieron que los gases contienen pequeñas partículas llamadas átomos o moléculas, pudieron relacionar el calor con el desorden. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven las partículas. Chocan entre sí y rebotan en las paredes del recipiente que los contiene. Por ejemplo, en una caldera de vapor, las moléculas de vapor de agua vuelan aleatoriamente en todas direcciones.
Una máquina de vapor tiene recipientes especiales llamados cilindros, con una pared móvil en un extremo llamada un pistón. Cuando las moléculas de vapor rebotan en el pistón, ejercen presión sobre él. Cuando el pistón retrocede en respuesta a la presión, las moléculas ceden parte de su energía y se mueven más lentamente. El pistón móvil generalmente está unido a un cigüeñal y un volante, por lo que su movimiento puede realizar un trabajo útil. De esta manera, una máquina de vapor convierte parte del movimiento desorganizado de las moléculas de agua en el movimiento alternativo organizado de un pistón y el movimiento giratorio de un volante. El motor extrae energía del vapor, lo enfría y hace que las moléculas de vapor de agua se muevan más lentamente.
Sin embargo, las moléculas no se detienen y no se caen de los cilindros del motor. Ningún motor puede obtener toda la energía del movimiento de las moléculas, porque están demasiado desorganizadas cuando están calientes. Algunas máquinas de vapor descargan el vapor enfriado a la atmósfera. Otros condensan el vapor enfriado y lo devuelven a la caldera, pero dependen de la circulación de aire o agua para enfriar el condensador. De cualquier manera, parte del calor se desperdicia.
Para calentar el agua, el motor tiene que quemar combustible. Los combustibles típicos tienen átomos de carbono e hidrógeno altamente organizados en grandes moléculas orgánicas, y el aire tiene átomos de oxígeno emparejados en moléculas de oxígeno. La quema rompe las moléculas grandes, mezcla los átomos con oxígeno y dispersa muchas moléculas pequeñas de vapor de agua y dióxido de carbono en la atmósfera. Muchos combustibles dejan un residuo de cenizas o producen humo que contiene pequeñas partículas. En resumen, los motores térmicos producen algún movimiento organizado en sus partes móviles, a expensas del movimiento mucho más desorganizado de los materiales de desecho dispersos en el medio ambiente.
La entropía es una medida del desorden antes y después de que funcione el motor térmico. Si hay un lugar para cada partícula, entonces están desordenadas si algunas de ellas están en los lugares equivocados. La entropía depende del número de maneras diferentes en que las partículas se pueden organizar en los lugares equivocados. Más adelante describiremos esta dependencia. La entropía aumenta lentamente si el número de arreglos erróneos diferentes aumenta rápidamente.
La física no puede calcular la cantidad total de entropía en el medio ambiente. Analiza la diferencia de entropía antes y después de que ocurra un proceso o un motor pase por un ciclo. La diferencia de entropía es la energía térmica que se mueve desde una fuente de alta temperatura a un destino de baja temperatura, dividida por una temperatura absoluta “adecuada.” La temperatura absoluta adecuada para calcular la entropía siempre se encuentra entre la temperatura alta de la fuente de calor y la temperatura baja del destino del calor. Las dos versiones originales de la segunda ley de la termodinámica son equivalentes a una declaración mucho más general, como sigue: La suma total de la entropía nunca disminuye. En cualquier proceso, la entropía aumenta o permanece constante. Si la entropía permanece constante, el proceso es reversible. Todos los demás procesos son irreversibles.
La “Ley de Murphy” es un axioma humorístico que advierte que cualquier cosa que pueda salir mal, saldrá mal. La ley de no disminución de la entropía no es lo mismo que la Ley de Murphy, ni significa simplemente que a menudo suceden cosas malas. Los físicos, químicos e ingenieros pueden calcular la entropía en situaciones simples. Otras interpretaciones que aplican la idea de entropía a las cosas en general no son más que el pesimismo, la tendencia a fijarse más en lo malo que en lo bueno.
La física no puede analizar ningún tipo arbitrario de desorden. Por ejemplo, sería difícil calcular la entropía que producen los escolares hablando en clase, masticando chicle o corriendo por los pasillos.
La gente entiende la segunda ley de la termodinámica de forma intuitiva. Organizar o imponer orden en un desorden implica separar cosas diferentes. La suciedad entra en una casa “por sí sola”, arrastrada por el viento o montada en la ropa y los zapatos de las personas. Las cosas se extravían cuando la gente irreflexiva las usa y luego las deja en cualquier lugar sin limpiarlas o volver a colocarlas donde pertenecen. Las cosas se desorganizan cuando no les prestamos atención. Tenemos que pensar y trabajar para organizar la cosas. Pregúntele a cualquier ama de casa. Aprenderás que las casas se desordenan espontáneamente. Poner una casa en orden requiere el trabajo de una persona inteligente.
Después de que un ama de casa inteligente ponga la casa en orden, la próxima tarea puede ser preparar el almuerzo. La preparación de alimentos siempre requiere separar los comestibles de la basura. Las plantas crecen bien en suelo fertilizado con estiércol, pero alguien debe cosecharlas y lavarlas antes de que otros puedan comerlas y mantenerse saludable. Hay muchas tareas separadas en la recolección y preparación de alimentos. Los ingenieros han inventado máquinas para realizar algunas de las tareas, pero no todas. Las máquinas pueden descorazonar manzanas, pero aún se necesitan ojos y manos para desechar todas las manzanas malas. Cuando compramos comida preparada, no vemos las legiones de trabajadores inteligentes que hicieron posible la compra. La combinación de trabajadores y máquinas es un filtro inteligente muy complejo. La última parte del filtro son los comensales, que aún pueden tener que separar huesos, cáscaras, cortezas y semillas duras. Si los empresarios pudieran reemplazar todo eso con un simple filtro o una máquina automática que no requiera supervisión inteligente, lo habrían hecho y se habrían enriquecido hace mucho tiempo. Si en algún momento en el futuro se automatiza casi todo el proceso, será el resultado de un diseño creativo muy inteligente.
Rudolf Julius Emanuel Clausius (físico y matemático alemán, 1822–1888) hizo la declaración original de la segunda ley de la termodinámica en 1850: “El calor por sí mismo no puede pasar de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente.” William Thomson Kelvin (matemático y físico británico, 1824–1907) aplicó esta ley al funcionamiento de las máquinas térmicas. Los motores térmicos requieren una fuente de calor a alta temperatura y un destino para el calor usado a baja temperatura. La declaración de Kelvin dice: “Si no hay diferencia de temperatura entre la fuente y el destino, entonces ningún motor térmico puede funcionar y hacer un trabajo útil.” Eso nos incluye a todos nosotros, ya que los sistemas biológicos funcionan como máquinas térmicas. Las dos declaraciones son equivalentes entre sí.
Originalmente, la segunda ley de la termodinámica se refería al calor. Los ingenieros del siglo XIX intentaron hacer que las máquinas de vapor fueran más eficientes. Los principios que descubrieron se aplican a todos los sistemas que extraen energía del calor y tal vez la utilicen para realizar un trabajo útil. En el curso de descubrir con precisión cuánto trabajo puede hacer el calor, los ingenieros desarrollaron el concepto de entropía. Para ellos, la entropía medía la incapacidad de la energía térmica para realizar trabajo.
Posteriormente otros ampliaron el concepto de entropía. En general, ahora podemos decir que la entropía es cierto tipo de desorden, una medida del número de maneras en que las cosas pueden salirse de su disposición adecuada. Primero, explicaremos cómo se aplica esto al calor.
Una vez que los físicos y químicos entendieron que los gases contienen pequeñas partículas llamadas átomos o moléculas, pudieron relacionar el calor con el desorden. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven las partículas. Chocan entre sí y rebotan en las paredes del recipiente que los contiene. Por ejemplo, en una caldera de vapor, las moléculas de vapor de agua vuelan aleatoriamente en todas direcciones.
Una máquina de vapor tiene recipientes especiales llamados cilindros, con una pared móvil en un extremo llamada un pistón. Cuando las moléculas de vapor rebotan en el pistón, ejercen presión sobre él. Cuando el pistón retrocede en respuesta a la presión, las moléculas ceden parte de su energía y se mueven más lentamente. El pistón móvil generalmente está unido a un cigüeñal y un volante, por lo que su movimiento puede realizar un trabajo útil. De esta manera, una máquina de vapor convierte parte del movimiento desorganizado de las moléculas de agua en el movimiento alternativo organizado de un pistón y el movimiento giratorio de un volante. El motor extrae energía del vapor, lo enfría y hace que las moléculas de vapor de agua se muevan más lentamente.
Sin embargo, las moléculas no se detienen y no se caen de los cilindros del motor. Ningún motor puede obtener toda la energía del movimiento de las moléculas, porque están demasiado desorganizadas cuando están calientes. Algunas máquinas de vapor descargan el vapor enfriado a la atmósfera. Otros condensan el vapor enfriado y lo devuelven a la caldera, pero dependen de la circulación de aire o agua para enfriar el condensador. De cualquier manera, parte del calor se desperdicia.
Para calentar el agua, el motor tiene que quemar combustible. Los combustibles típicos tienen átomos de carbono e hidrógeno altamente organizados en grandes moléculas orgánicas, y el aire tiene átomos de oxígeno emparejados en moléculas de oxígeno. La quema rompe las moléculas grandes, mezcla los átomos con oxígeno y dispersa muchas moléculas pequeñas de vapor de agua y dióxido de carbono en la atmósfera. Muchos combustibles dejan un residuo de cenizas o producen humo que contiene pequeñas partículas. En resumen, los motores térmicos producen algún movimiento organizado en sus partes móviles, a expensas del movimiento mucho más desorganizado de los materiales de desecho dispersos en el medio ambiente.
La entropía es una medida del desorden antes y después de que funcione el motor térmico. Si hay un lugar para cada partícula, entonces están desordenadas si algunas de ellas están en los lugares equivocados. La entropía depende del número de maneras diferentes en que las partículas se pueden organizar en los lugares equivocados. Más adelante describiremos esta dependencia. La entropía aumenta lentamente si el número de arreglos erróneos diferentes aumenta rápidamente.
La física no puede calcular la cantidad total de entropía en el medio ambiente. Analiza la diferencia de entropía antes y después de que ocurra un proceso o un motor pase por un ciclo. La diferencia de entropía es la energía térmica que se mueve desde una fuente de alta temperatura a un destino de baja temperatura, dividida por una temperatura absoluta “adecuada.” La temperatura absoluta adecuada para calcular la entropía siempre se encuentra entre la temperatura alta de la fuente de calor y la temperatura baja del destino del calor. Las dos versiones originales de la segunda ley de la termodinámica son equivalentes a una declaración mucho más general, como sigue: La suma total de la entropía nunca disminuye. En cualquier proceso, la entropía aumenta o permanece constante. Si la entropía permanece constante, el proceso es reversible. Todos los demás procesos son irreversibles.
La “Ley de Murphy” es un axioma humorístico que advierte que cualquier cosa que pueda salir mal, saldrá mal. La ley de no disminución de la entropía no es lo mismo que la Ley de Murphy, ni significa simplemente que a menudo suceden cosas malas. Los físicos, químicos e ingenieros pueden calcular la entropía en situaciones simples. Otras interpretaciones que aplican la idea de entropía a las cosas en general no son más que el pesimismo, la tendencia a fijarse más en lo malo que en lo bueno.
La física no puede analizar ningún tipo arbitrario de desorden. Por ejemplo, sería difícil calcular la entropía que producen los escolares hablando en clase, masticando chicle o corriendo por los pasillos.
La gente entiende la segunda ley de la termodinámica de forma intuitiva. Organizar o imponer orden en un desorden implica separar cosas diferentes. La suciedad entra en una casa “por sí sola”, arrastrada por el viento o montada en la ropa y los zapatos de las personas. Las cosas se extravían cuando la gente irreflexiva las usa y luego las deja en cualquier lugar sin limpiarlas o volver a colocarlas donde pertenecen. Las cosas se desorganizan cuando no les prestamos atención. Tenemos que pensar y trabajar para organizar la cosas. Pregúntele a cualquier ama de casa. Aprenderás que las casas se desordenan espontáneamente. Poner una casa en orden requiere el trabajo de una persona inteligente.
Después de que un ama de casa inteligente ponga la casa en orden, la próxima tarea puede ser preparar el almuerzo. La preparación de alimentos siempre requiere separar los comestibles de la basura. Las plantas crecen bien en suelo fertilizado con estiércol, pero alguien debe cosecharlas y lavarlas antes de que otros puedan comerlas y mantenerse saludable. Hay muchas tareas separadas en la recolección y preparación de alimentos. Los ingenieros han inventado máquinas para realizar algunas de las tareas, pero no todas. Las máquinas pueden descorazonar manzanas, pero aún se necesitan ojos y manos para desechar todas las manzanas malas. Cuando compramos comida preparada, no vemos las legiones de trabajadores inteligentes que hicieron posible la compra. La combinación de trabajadores y máquinas es un filtro inteligente muy complejo. La última parte del filtro son los comensales, que aún pueden tener que separar huesos, cáscaras, cortezas y semillas duras. Si los empresarios pudieran reemplazar todo eso con un simple filtro o una máquina automática que no requiera supervisión inteligente, lo habrían hecho y se habrían enriquecido hace mucho tiempo. Si en algún momento en el futuro se automatiza casi todo el proceso, será el resultado de un diseño creativo muy inteligente.