martes, 11 de junio de 2013

Entropía y neguentropía



Cada acto que realizamos en el curso del día implica fuerza y energía.
Si empujamos una puerta, si encendemos un cigarrillo, si corremos para alcanzar una micro, estamos ejecutando un trabajo; son actividades que requieren movimientos de los músculos del cuerpo. En cada una de estas actividades existe un consumo de energía. Cuando empujamos un auto, estamos realizando un trabajo y, por lo tanto, consumiendo energía. Este gasto de energía lo podemos observar por el cansancio que se apodera de nuestros músculos.



En general, todo sistema diseñado para alcanzar un objetivo (y por lo tanto, realizar un trabajo) requiere de energía que recibe a través de la corriente de entrada y en las formas más diversas (alimentos, vapor, electricidad, materias primas u otras fuentes). Esta energía dentro del sistema puede convertirse en energía cinética o potencial. La primera, se encuentra relacionada con la velocidad de un cuerpo, aunque algo de ella se pierde por la fricción de éste con el medio. En general, podemos señalar que el trabajo que realizamos a "nivel de suelo" (caminar, empujar un cuerpo, transportar un objeto, etc. ) se transforma en energía cinética y en pérdida por fricción.

La energía potencial se encuentra relacionada con la masa del cuerpo y los cambios de altura. Esta es la energía contenida en una cascada, la que se manifiesta cuando levantamos algún objeto, cuando subimos un cerro, etc.

Normalmente, al realizar un trabajo, el sistema desarrolla ambas formas de energía. Por ejemplo, si empujamos un objeto sobre un plano inclinado, la presión que realizamos (mayor o menor, según sea nuestro movimiento hacia arriba o hacia abajo) se divide parte en energía cinética (el movimiento de translación) y parte de energía potencial (el movimiento de levación), y por supuesto, pérdidas friccionales por el roce del cuerpo con la superficie.


 

Las leyes de la termodinámica
Entre los principios más importantes que describen los procesos físicos se encuentran las leyes de la termodinámica. Ellas se encuentran relacionadas con los intercambios de energía y con la tendencia de sus flujos, especialmente de la energía calórica.

Como señalábamos en el punto anterior, todo proceso natural o humano, implica utilización o transformación de energía, y por esta razón, los principios o leyes de la termodinámica se aplican tanto al acto de admirar una hermosa escultura, llevar a cabo una investigación, manejar una máquina u observar y analizar el universo.

Cuando dos cuerpos que poseen la misma temperatura son colocados uno al lado de otro, sus temperaturas permanecen constantes. Esta es la llamada ley "cero" de la termodinámica. Entre uno y otro cuerpo no existe un flujo neto de energía calórica. Ambos cuerpos se encuentran en un equilbrio estadístico. Esto lo podemos apreciar experimentalmente. Si tenemos una taza de café a medias, a una temperatura de 50° y llenamos la taza con una cafetera que está a la misma temperatura, la temperatura del café en la taza ahora llena, será de 50°.

La ley "cero", nos asegura que cuando aplicamos una corriente de aire a un cubo de hielo, si la temperatura de la corriente del aire es igual a la del cubo de hielo, éste mantendrá su temperatura. Esto nos conduce a la primera ley de la termodinámica que dice que en un sistema cerrado la energía es conservada. No se gana ni se pierde. Por ejemplo, si agregamos calor al cubo de hielo para convertirlo en vapor, el calor agregado es igual al incremento de la energía interna de las moléculas de aire y agua (vapor) más el trabajo realizado por el vapor al expandirse.




¿Qué sucede cuando los dos objetos no poseen la misma temperatura?
La respuesta a este problema la encontramos en la segunda ley de la termodinámica, que dice que existirá un flujo neto de energía y siempre desde el cuerpo más caliente al más frío. Si dejamos nuestra taza de café con su temperatura de 50° algún rato sobre la mesa, observaremos cuando lo tornemos, que se ha enfriado. La taza de café perdió temperatura debido a su exposición a un medio más frío. El café, jamás, por sí mismo, podrá calentarse, llegando a superar la temperatura de su medio.

Una mejor forma de expresar esta segunda ley de la termodinámica, utiliza consideraciones probabilísticas. Se basa en la observación de que cuando ciertos estados del sistema son más probables que otros, el sistema siempre se moverá en la dirección del estado más probable. Por ejemplo, no existe una probabilidad que el café logre mantener su temperatura igual a la del medio ambiente por mucho tiempo; al revés, es muy probable que el café caliente pierda temperatura y alcance una temperatura que se aproxime a la del medio ambiente. Así, la se gunda ley de la termodinámica señala qué es lo que será más probable que ocurra: el café se enfriará, tendiendo a alcanzar la temperatura del medio ambiente.




Existe una consecuencia de esta ley, aún más importante. Siguiendo con nuestra taza de café, si observáramos con los instrumentos apropiados, notaríamos que cuando el café estaba caliente, las moléculas de agua chocaban violentamente, corno lo hacen las moléculas de aire en el cuarto, de una manera caótica. Sin embargo, a pesar de este caos o movimiento al azar, existe un flujo neto de energía desde el café hacia el aire. Ya sea frío o caliente, la energía total contenida en la taza y en la pieza permanece constante (de acuerdo con la primera ley de la termodinámica). Es decir, podemos suponer que toda la energía calórica permanece en el cuarto.

Sin embargo, cuando el café se enfría, cesa de existir ese flujo neto de energía (aun cuando las moléculas del café y del aire siempre se encuentran en movimientos rápidos y chocando entre sí). En realidad, podemos señalar que los movimientos individuales y la energía cinética no se han reducido mucho comparados con la energía que las moléculas tenían cuando el café estaba caliente. Sin embargo, ahora podernos decir que el sistema ante la falta de un flujo neto de energía está en una situación aún más caótica y al azar. Del estado "ordenado" en el cual el café caliente es una situación organizada, con un "propósito", con la energía calórica concentrada en una parte y fluyendo hacia afuera, el sistema ahora es reducido a una condición de equilibrio con un desorden molecular mayor (o con una reducción de su ordenamiento).

El cambio de estados más ordenados u organizados a estados menos ordenados y organizados, es una cantidad definida y medible, denominada "entropía". Es el factor que explica el hecho de que mientras la energía total contenida en un sistema cerrado permanece constante, con el incremento de la entropía, esa energía puede ser utilizada cada vez menos.



Espero haber ayudado en algo. Hasta la próxima oportunidad!  
 



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