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sábado, 3 de septiembre de 2011

Termodinámica para la canícula (vii)



Acabado agosto parece que ha acabado el verano ¿verdad? Vamos avanzando en el tiempo hacia... -¡Un momento por favor! ¿Avanzamos en el tiempo?¿el tiempo avanza? Parece como si en la Naturaleza todo ocurriese en un determinado sentido. Esa es nuestra percepción. Una "sagita del tiempo" en cuya dirección todo se mueve.
Clepsidra. Imagen tomada de www.albaiges.com
Imaginad que circuláis en bici. Frenáis (no de golpe y menos con el freno delantero). Los frenos se calientan y la rueda va parando poco a poco.
Parece lo lógico y natural. Y podemos explicarlo: La energía cinética de la rueda se convierte en calor por la fricción. Esta conversión en calor le hace perder energía hasta que se para. Nunca, creo, nadie ha calentado un freno para que el calor se convierta en energía cinética y la rueda comience a girar. Lo curioso es que termodinámicamente hablando no existiría ningún contrasentido en ello. De momento esto, no se ha visto.



Durante mucho tiempo se aceptó que la dirección en que se producen los fenómenos naturales de forma espontánea es aquella que lleva a los sistemas a un mínimo de energía: soltamos una piedra en el aire, y cae; disminuyendo su energía potencial (debida, a grandes rasgos, a su altura sobre la superficie terrestre). Frotamos dos palos (bueno, eso era antes, mucho antes) y el trabajo mecánico que realizamos venciendo el rozamiento genera calor, tanto que acabamos teniendo una combustión de la madera...


 Pero la existencia, por ejemplo, de reacciones químicas endotérmicas (que absorben calor del medio aumentando la energía del sistema) que ocurren de forma espontánea, pone de manifiesto que debemos buscar alguna otra propiedad, que de alguna manera nos permita conocer anticipadamente el sentido natural o espontáneo de las transformaciones.
 
En este caso, ese indicador no es una magnitud medible directamente sobre un sistema. Es un parámetro calculado a partir de propiedades medibles del sistema. ¿Trampa? No. Se trata de dos magnitudes como son el Calor y la Temperatura de un sistema en un momento dado. Y ese parámetro, una función de estado , es la Entropía, ¿a qué os suena?

Una de las formas en que se puede enunciar el Segundo Principio de la Termodinámica:
 La entropía de un sistema aislado nunca puede disminuir. O bien, Para un sistema aislado, la condición de equilibrio es aquella el la que la entropía tenga un valor máximo
Así, si el Universo es un sistema aislado, su entropía crecerá sin cesar hasta alcanzar un valor máximo. En ese momento el universo no podrá evolucionar y se habrá producido su muerte térmica.

¡Bien! Pero, ¿cómo interpretamos la entropía? Aquí hay que echar mano de la llamada Termodinámica Estadística (no pretendo que hagan un acto de fe pero el desarrollo matemático considero que estaría absolutamente fuera de lugar). La entropía se relaciona con el orden microscópico de los sistemas al tiempo que macroscópicamente está en relación con las pérdidas (degradación) de energía en las trasformaciones de los sistemas. Un sistema en equilibrio es aquel que microscópicamente tiene una disposición o configuración estadísticamente más probable. Y ésta es la de mayor desorden. Tiren una baraja de cartas al aire ¿quedaron ordenaditas encima de la mesa? Recojedlas, así tal cual. Barajadlas, ¿se han ordenado? Volvedlas a barajar ¿están ordenadas ahora? Vais a tener que realizar un trabajo para ordenarlas porque estáis buscando una configuración concreta de la baraja, poniéndole restricciones.

Y ahora ustedes me dirán: -Pero en la Naturaleza todo es aparente orden (cuando se la deja tranquila)- Los árboles crecen y se multiplican. Nosotros crecemos y estamos compuestos por estructuras complejas. Y nosotros como los árboles tenemos una tendencia natural a llegar a nuestro equilibrio termodinámico a nuestro máximo entrópico y desaparecer. No hay paradoja ninguna.

  La vida, los seres vivos, son sistemas abiertos, capaces de interactuar con su entorno para reducir su entropía. Tomamos nutrientes que degradamos para obtener energía que luego devolvemos, degradada, al medio. Pero esto tiene un coste. Y para nosotros una fuerte dependencia con el entorno. Y al igual que los seres vivos, las empresas, la sociedad, podrán, a costa del medio, impedir retrasar lo inevitable. y todo esto seguirá ocurriendo para nosotros mientras brille el Sol, mientras nuestra estrella de la vida no alcance su máximo entrópico, su muerte térmica.

3 comentarios :

Paco Muñoz dijo...

José Javier, muy interesante. Me ha llamado la atención una cosa "Nunca, creo, nadie ha calentado un freno para que el calor se convierta en energía cinética y la rueda comience a girar. Lo curioso es que termodinámicamente hablando no existiría ningún contrasentido en ello." En materiales piezoeléctricos si vibran generan una corriente eléctrica, y si ses somete a una corriente eléctrica vibran. Cristal de cuarzo.
A la membrana de un altavoz la hace vibrar una corriente eléctrica, y mueve el aire convirtiendo la corriente eléctrica en sonido. Si se invierte el proceso un micrófono lo hace vibrar una fuente de sonido que convierte en una corriente eléctrica. Creo que sería más difícil lo de la rueda por lo menos a mi me lo parece.

José Javier Navas dijo...

Efectivamente. En el caso de los piezoeléctricos, al aplicar una corriente eléctrica se produce una polarización en el cristal, que desaparece al dejar de aplicar la corriente. Igualmente si aplicamos una tensión mecánica se genera una polarización en el cristal que puede generar una corriente electrica, e igualmente al dejar de realizar el trabajo cesa la polarización, volviendo el cristal a una misma posición de equilibrio. No hay nínguna paradoja en ello. Si bien los trabajos realizados y por tanto la energía puesta en ambos casos es distinta.
El caso del altavoz/miro se explica por la ley de Faraday-Lenz y tampoco presenta ninguna paradoja. En cualquier caso son procesos en los que al dejar de aplicar un modificador externo, los sistemas vuelven a su "estado natural" de equilibrio. Esa es su "dirección"

juankarh dijo...

Años llevaba sin oir hablar de la Termodinámica Estadística: ¡Qué gozada, mil gracias!