Escultura dedicada a la Entropía en los jardines centrales de la Universidad de Monterrey, México

“La entropía es una función de estado que, evaluada para todo el universo, aumenta en una transformación irreversible y permanece constante en una transformación reversible.”

 

Escenifica el desorden, es la magnitud termodinámica que indica el grado de desorden molecular de un sistema. La entropía es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se da de forma natural. La entropía describe lo irreversible y nos dice que con el paso del Tiempo todo se deteriora, como podemos constatar en nosotros mismos, o, en el mismo Universo.

En las galaxias se genera Entropía negativa cuando se crean nuevas estrellas, nuevos mundos y nueva vida

“Simbolizada como S es una magnitud física para un sistema termodinámico en equilibrio. Mide el número de microestados compatibles con el macro-estado de equilibrio, también se puede decir que mide el grado de organización del sistema, o que es la razón de un incremento entre energía interna frente a un incremento de temperatura del sistema termodinámico.”

Todos hemos visto el sistema mecánico en el cual se conserva la energía, para que sea perfectamente elástico y tenga ausencia de rozamiento.  Está claro que si queremos hablar de energía y su conservación, de termodinámica y de entropía, tendríamos que mencionar aquí muchos nombres que, como el del conde Rumford nacido en lo que entonces era colonia británica de Massachusetts en 1753 y vivió hasta 1814, se llamaba en principio Benjamín Thompson.  Fue mientras trabajaba en Baviera, supervisando la construcción de un nuevo cañón cuando planteó la idea de que el calor es una forma de trabajo.

La gestación de esta idea duró mucho tiempo, un paso decisivo fue el que dio James Joule de Gran Bretaña durante la década de 1840. Lo hizo todavía mejor que Rumford, ya que realizó experimentos precisos para medir la cantidad de trabajo necesario para producir un determina ascenso de la temperatura en una cantidad de agua. Estos trabajos y otros llevados a cabo por contemporáneos de Joule, tales como Hermann Helmholtz en Alemania, desembocaron el en el Principio de la conservación de la energía. Éste dice que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo puede transformarse.

          Conservación de la materia

Energía – Conservación

A diferencia de lo que ocurre con el momento angular de los objetos macroscópicos, a los que estamos acostumbrados, que puede tomar valores muy variados dependiendo de las acciones a las que se vean sujetos, la magnitud del espín de una partícula subatómica es siempre la misma para este tipo concreto de partícula.

Leyes de Conservación

Si un sistema no interacciona con su entorno de ninguna manera, entonces determinadas propiedades mecánicas del sistema no pueden cambiar. Algunas veces nos referimos a ellas como “constantes del movimiento”. Estas cantidades se dice que son “conservadas” y las leyes de conservación resultante se pueden considerar como los principios mas fundamentales de la mecánica. En mecánica, ejemplos de cantidades conservativas son la energía, el momento y el momento angular. Las leyes de conservación son exactas para un Sistema aislado.

Establecidas aquí como principios de la mecánica, estas leyes de conservación tiene profundas implicaciones en la simetría de la naturaleza, que no hemos visto violadas. Ellas sirven como una fuerte restricción en cualquier teoría sobre cualquier rama de la ciencia.

En la nebulosa molecular gigante de Orión, los astrónomos han observado las transformaciones que se producen al crearse nuevas estrellas y nuevos sistemas planetarios. Ahí se pueden observar continuados cambios irreversibles de destrucción y creación que escenifica el continuo renovarse del Universo.

El principio de conservación de energía llegó a conocerse también como primer principio de termodinámica y nos dice que en un sistema cerrado (pongamos por ejemplo esta Nebulosa e imaginemos que no interacción con el mundo exterior, para llevarlo hasta un Sistema cerrado ideal como, el plano sin rozamiento). Aquí la energía total permanece constante pero, ninguna transformación de trabajo en energía es perfecta, ya que el calor siempre se disipa como un subproducto, de tal forma que hay algo de energía que desaparece de la circulación. Dado que el calor siempre fluye de un lugar caliente a otro más frío (segundo principio de la termodinámica), finalmente, en cualquier sistema cerrado toda la energía acaba convirtiéndose en calor, y todas las diferencias de temperatura se irán nivelando hasta dejar un sistema templado y sin características especiales donde no sucede nada interesante.

Lo que actualmente conocemos como segundo principio de la Termodinámica se puede expresar de muchas formas diferentes, pero su primer enunciado se debe al Físico británico William Thomson (quien fuera posteriormente lord Kelvin) en 1852. La cuestión esencial sobre la que Thomson llamó la atención es esta idea de disipación -que, aunque el modo en que funciona el mundo natural se puede describir como un gran motor que convierte el calor en trabajo (o en movimiento, que viene a ser lo mismo), debe haber siempre algo de calor que se disipa durante el proceso, aunque realmente no se pierde, sino que se propaga por todo el universo, haciendo que su temperatura global suba una pizca, una cantidad casi imperceptible.

Una máquina térmica es un dispositivo que, operando de forma cíclica, toma de calor de un foco caliente, realiza un cierto trabajo (parte del cual se emplea en hacer funcionar la propia máquina) y entrega calor de desecho a un foco frío, normalmente el ambiente.

El ejemplo característico de máquina térmica es la máquina de vapor, que se emplea en la mayoría de las centrales eléctricas (sean estas térmicas, termo-solares o nucleares). En una máquina de vapor una cierta cantidad de líquido se hace hervir en un horno (foco caliente); el vapor resultante mueve una turbina, enfriándose parcialmente. El vapor enfriado pasa a un condensador, donde es enfriado a la temperatura ambiente, liberando calor y volviendo a ser líquido. Una bomba (movida por la turbina) toma ese líquido y vuelve a llevarlo al horno, manteniendo en marcha el sistema.

• El calor | Q_c | proporcionado por el foco caliente.
• El calor | Q_f | cedido al foco frío
• El trabajo | W_ext | realizado por la turbina
• El trabajo W_int necesario para hacer funcionar la máquina térmica

Esto va más allá del principio, o ley, de conservación de la energía (el primer principio de la termodinámica), porque en este caso, aunque la cantidad total de energía del mundo (expresión con la que los victorianos se referían al total del universo), se mantiene siempre igual, la cantidad de energía útil siempre está disminuyendo. Esto implica que los físicos necesitan un sofisticado sistema técnico para cuantificar la cantidad de energía útil existente en un sistema cerrado, o en el mundo (el universo en toda su amplitud), de tal modo que pudieran tenerla en cuenta y manejarla en sus ecuaciones. esto indujo a Rudolf Clausius a proponer el concepto de Entropía, lo cual hizo en Alemania a mediados de la década de 1860.

El Modo más sencillo de calcular lo que mide la Entropía es pensar en términos de la cantidad de orden que hay en un sistema, y el ejemplo clásico consiste en imaginar una caja que está dividida en dos mitades mediante una pared separadora móvil. Una mitad de la caja está llena de gas y la otra se encuentra inicialmente vacía -es el vacío-. Tenemos así un sistema que posee una cierta cantidad de orden, o de estructura, porque hay una diferencia entre las dos mitades del recipiente. Si se introduce al azar un robot consistente en una sonda microscópica, nos podrá decir en qué lado de la pared separadora se encuentra, , comprobando si está rodeado por gas o por vacío. Imaginemos que abrimos esa pared separadora. Todos sabemos lo que va a suceder. El gas se propaga hasta llenar la caja de manera uniforme. Entonces habrá en el sistema menos orden (o, si se quiere, más desorden).

La entropía mide la cantidad de orden que hay en un sistema y, si el desorden aumenta, también lo haced la entropía. Sabiendo que en el mundo real el desorden crece en todo sistema cerrado (las cosas se desgastan, se rompen, son inundadas por el polvo y la corrosión, a medida que pasa el tiempo, el inevitable aumento de la entropía define una dirección del tiempo, una flecha que parte del pasado ordenado y apunta hacia el futuro desordenado. Dado que ese proceso parecía inevitable y universal, los especialistas en termodinámica de la era victoriana preveían un destino último del Universo en el que toda la energía útil se habría convertido en calor y todo sería una mezcla templada de materia a temperatura uniforme, una situación desoladora que llamaban la “muerte térmica” del universo.

Pero, ese tenebroso pronóstico ha quedado ya descartado. El hecho de que el Universo se expande (que no se descubrió hasta finales de la década de 1920), alteró todo el contenido de tal predicción, y la constatación de que la Gravedad tiene de hecho energía negativa, que data de la década de 1940, descartó en esencia el tipo de muerte térmica que imaginaron los victorianos.

Las estrellas que brillan en el cielo, todas las nuevas que en la Nebulosas nacen, los mundos que se crean, la vida que surge, la Gravedad…Todo ello, contribuye a generar Entropía negativa que, de alguna manera, autogenera el Universo u consigue que aquella muerte térmica no llegue.

 

Sí, en nuestro universo algo cambia y,  muchas otras cosas serán distintas

 

Claro que no hay una flecha del tiempo en las leyes de Newton y, según Laplace y muchos otros, estas leyes parecen describir un mundo completamente determinista en el cual el pasado y el futuro están fijados de una manera rígida y no hay lugar para el libre albedrío.

Lo que ninguno de estos científicos parece haber observado es que el argumento fundamental se desploma si, en cualquier momento y lugar del universo, se produce una colisión simultánea entre tres partículas –aunque la valoración de si esto sería suficiente para restablecer el libre albedrío es una cuestión cuya discusión prefiero dejar a la filosofía.

En la física del movimiento y sus causas -Dinámica- las leyes de la naturaleza funcionan tanto si el tiempo transcurre “hacia adelante” como también si lo hiciera “hacia atrás”, es decir que son simétricas y reversibles en el tiempo. Si filmamos un choque entre dos partículas, o la órbita de un planeta entorno a su sol, y pasamos la película al revés, notaremos que las trayectorias están invertidas, lo cual es totalmente coherente para la física: no hay nada que nos indique que el tiempo está trascurriendo en sentido contrario. Si las leyes de la naturaleza no distinguen entre el pasado y el futuro, entonces ¿por qué notamos que el tiempo fluye en un sentido y no en otro? ¿De dónde sale esa asimetría del tiempo? ¿Por qué recordamos el pasado pero no el futuro?

 

Nos podemos sentar mirando hacia el futuro, pero, ¿veremos algo….

 

Este mismo problema relativo al tiempo se planteó a partir de uno de los mayores triunfos de la física del siglo XIX: la investigación de la naturaleza de la luz y de otras formas de radiación electromagnética, que tuvo su momento culminante en la obra del escocés James Clerk Maxwell (1831-1879). La explicación dada por Maxwell sobre la radiación electromagnética se basa en la obra de Michael Faraday, que vivió entre 1791 y 1867, y propuso la definición de los “campos” eléctrico y magnético que surgen en torno a los objetos que poseen una carga eléctrica.

 

 

 

Fue Faraday el primero en sugerir que la luz podría estar producida por algún tipo de vibración de las líneas de fuerza asociadas con imágenes y partículas “cargadas”, que vibrarían como lo hacen las cuerdas de un violín al ser pulsadas. El problema estaba en que, Faraday, carecía de los conocimientos matemáticos necesarios para desarrollar la idea de maneta tal que se desarrollara un modelo perfectamente configurado. Así, en la década de 1860, llegó Maxwell para rematar el trabajo de Faraday con sus maravillosas ecuaciones vectoriales para demostrar que todos los fenómenos eléctricos y magnéticos conocidos en aquella época, incluido el comportamiento de la luz, podía ser descrito mediante un conjunto de sólo cuatro ecuaciones, que actualmente se denominan ecuaciones de Maxwell.

Claro que, como todo, también las ecuaciones de Maxwell tenían sus limitaciones, especialmente en la descripción de fenómenos que se producen a escalas muy pequeñas, tales como el comportamiento de los átomos y de las partículas que los componen. En este caso, es preciso modificar tanto la descripción clásica de las descripciones electromagnéticas (Maxwell), como la descripción clásica de las interacciones entre partículas (Newton), fenómenos en los cuales se cumplen las reglas de la física cuántica. Así, las ecuaciones de Maxwell, como las de Newton, tampoco contienen la flecha del tiempo.

 

 

 

Lo que fue durante mucho tiempo la explicación habitual la razón por la que vemos una dirección predominante del tiempo surgió a partir de otro gran triunfo de la física del siglo XIX: la descripción de la relación entre calor y movimiento (termodinámica). Esto tuvo una importancia práctica fundamental en el mundo industrial cuando se utilizaba la fuerza de las máquinas de vapor.

Lo cierto es que, la importancia de la termodinámica reside en que permite a los físicos explicar el comportamiento de gran número de objetos –en especial, partículas de gas- que, en cierto sentido, funcionan juntos en un sistema complejo. Esto incluye el uso de promedios y estadísticas, pero se basa en gran medida en la idea de que un gas está constituido por una cantidad innumerable de partículas diminutas (átomos y moléculas) que no cesan de rebotar y chocar entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene, cumpliendo las leyes del movimiento de Newton. Esta teoría cinética de los gases fue un ejemplo importante del modo en que las leyes universales de la física ponían orden en el caos.

 

       Ludwig Boltzmann (1844-1906)

La palabra “gas” fue acuñada por el físico flamenco Joannes van Helmont a partir de la palabra griega que significa “caos”; este término apareció impreso por primera vez en el libro de van Helmont titulado Ortus medicina, publicado cuatro años después del fallecimiento de Joannes, en 1648. La idea de que los gases eran como un caos se consideró acertada durante trescientos años, hasta que Maxwell desde Gran Bretaña, y su contemporáneo Ludwig Boltzmann, desde Viena, consolidaron la teoría cinética (que hasta entonces había sido sólo una especulación), dándole una firme base científica fundamentada en las leyes de Newton.

Me proponía al comenzar este trabajo a exponer muchas más cosas pero, como siempre pasa, el espacio y el tiempo no dan para tanto en este lugar y, dejo pendiente explicar cómo surge el Caos a partir del Orden y el Orden a partir del Caos, cómo podemos llegar al borde del Caos y qué transiciones de fase tienen que producirse para que, la normalidad y la simetría vuelva a reinar a partir de ese desorden que, en un principio, podría parecer irreversible.

 

 

De todo lo que aquí hemos hablado, se puede tomar razón y llegar a tener una razonada conciencia en el estudio de una galaxia espiral que, con sus millones de estrellas brillantes en los brazos espirales y sus estrellas rojas y más viejas en el centro galáctico, nos hablan claramente de la flecha del tiempo y de la entropía al considerar, la galaxia, como el sistema cerrado que, poco a poco, va tornándose más y más compleja en la composición de la materia que la conforma que, de manera irreversible va sufriendo transformaciones de todo tipo que, finalmente, la llevará a un estado crítico que hasta se podría transformar en un inmenso agujero negro como resultado final del proceso.

 

 

 

Mucho es lo que nos queda por saber, lo que sabemos, reconociendo que no es poco para el exiguo tiempo que llevamos aquí (en la medida del reloj del universo), es aún insuficiente para lo que la Humanidad necesita saber. Nuestra ignorancia es grande, muy grande…, casi infinita, si la contraponemos con todo aquellos que nos queda por descubrir de los secretos de la Naturaleza. Nunca podremos acabar ese aprendizaje que se pierde en la lejanía de la flecha del tiempo en ese infinito que llamamos futuro.

 

emilio silvera

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