En
esta entrada, y para dar una buena inauguración a este blog, vamos a hablar de
una magnitud física muy importante en la termodinámica, una magnitud extraña
pero a la vez curiosa de estudiar, y que nos puede llevar hasta el mismísimo
final del universo. Se trata de la
entropía. Es una magnitud física cuya definición se ve muy sencilla, pero
que en la práctica posee tantos recovecos que puede dar quebraderos de cabeza a
más de uno, entre los cuales me incluyo yo mismo.
La
entropía es una función de estado (no depende de cómo hemos llegado a esas
condiciones, sino de las condiciones en sí mismas en las que se halla la
sustancia), y es de carácter extensivo (depende de la cantidad de sustancia que
tenemos). Se define como "el desorden que posee un cuerpo", y está en
amplia relación con la irreversibilidad de los procesos espontáneos y el
segundo principio de la termodinámica.
Para
explicar el concepto de entropía en sí, debemos primero hacer un breve repaso
de las bases de la termodinámica, y de diferentes hechos que nos llevarán a
descubrir esta magnitud.
El
primer principio de la termodinámica es el llamado principio de la conservación de la energía. Se enuncia generalmente
como "la energía ni se crea ni se
destruye, solo se transforma". Y así ocurre en todos los procesos de
la naturaleza. En un proceso termodinámico, al poner en contacto dos sustancias
a distintas temperaturas, la que está a mayor temperatura le cede calor a la de
menor temperatura, hasta que estas se igualan.
En
su momento dado, un joven llamado Nicolas Léonard Sadi Carnot pensó que con el calor en movimiento,
una parte del calor cedido podía convertirse en trabajo. Y así es, de hecho, el
movimiento mecánico mismo existe debido a la presencia de focos fríos y
calientes en el universo, y el calor circulando entre ellos. Actualmente esta
es la base de funcionamiento de las máquinas térmicas.
Carnot diseñó un modelo
ideal, tal que el que se observa en la figura. T1 es la temperatura del foco caliente, este cede calor
(Q1) al sistema, del cual
una parte se transforma en calor (Q2)
cedido al foco frío (T2)
y otra parte en trabajo mecánico (W).
Según
el ideal de Carnot, el cociente entre el calor cedido por el foco caliente y el
absorbido por el foco frío (Q1/Q2)
es igual al cociente entre las dos temperaturas (T1/T2).
Q1/Q2 = T1/T2;
de lo cual se deduce que Q1/ T1
= Q2/ T2; y a esta relación, un físico llamado Rudolf
Clausius la llamó entropía (S). El cociente entre el calor y la
temperatura.
Entonces,
según el ideal de Carnot, se podía construir una máquina que conservara no solo
la energía, sino también la entropía. Sin embargo, eso no ocurre así en la
realidad. En la práctica se observó que, con las mismas temperaturas que en la teoría,
el trabajo W era menor que el que
debía ser, y Q2 era
mayor. En cuyo caso, la entropía no se conservaba, sino que aumentaba. Fue así
como se vio que la naturaleza tiende al estado de máxima entropía en los
procesos termodinámicos. Y es por eso por lo que dos cuerpos a distintas
temperaturas tienden a equilibrarse, pues ese es el estado de máxima entropía.
Y también es el segundo principio de la termodinámica, que enuncia que los
procesos ocurren en un solo sentido de forma espontánea, y que la entropía del
conjunto del universo tiende a aumentar.
En
otro experimento se cogería hielo a 0ºC (273K) y cualquier líquido a
temperatura ambiente, unos 25ºC (298K). Al ponerse en contacto, se observa que
el hielo comienza a fundirse, a la vez que el líquido mencionado comienza a
reducir su temperatura. Sin embargo, el hielo nunca llega a calentarse en este
experimento. Finalmente alcanzan una temperatura de equilibrio de 0ºC, aún
quedando algo de hielo sin fundir. Esto suscita una pregunta: si las
temperaturas tienden a equilibrarse y alcanzar el estado de entropía máxima, ¿por
qué no aumentó la temperatura del hielo?
Bien,
según se le cede calor al hielo, manteniendo su temperatura constante, Q/T está aumentando, por lo que su
entropía está aumentando. Eso está bien, pues es lo que enuncia el segundo
principio de la termodinámica, que hemos deducido antes. Sin embargo, para
aumentar la entropía del hielo, debe tomar energía del resto del universo según
se funde, por lo cual su entropía disminuiría. Sin embargo, siendo una
temperatura más elevada la del resto del universo que la del hielo, el cociente
de (ΔE)/T sería menor, y por lo tanto sería
menor su disminución de entropía. Dado que la temperatura del hielo no cambia
según se transforma, sigue siendo más baja, y su incremento de entropía (Q/T) es mayor, y en última instancia la
entropía total está aumentando.
Con ello, se deduce que la magnitud
que realmente el universo trata de maximizar no es solo la entropía, sino S - (E/T); y finalmente se deduce que
lo que trata de minimizar es E - T·S;
conocido también como Energía Libre (F = E - T·S). Y por lo tanto, en los
procesos espontáneos F disminuirá, y
ΔF será
negativo.
Llegado este punto es conveniente
aclarar por qué se define la entropía como el desorden de un sistema. Bien,
como hemos dicho antes, cuando aumenta la temperatura del hielo y comienza a
convertirse en agua, la entropía aumenta, y el agua es un estado de mayor
desorden que el hielo, pues las partículas están más libres y
"alocadas". Visto así, cualquier sustancia en estado sólido tiene
menor entropía que ella misma en estado líquido, y mucho menor que en estado
gaseoso; y eso coincide con el agitamiento de las partículas. Es por ello que
la entropía se define como desorden.
Y
con todo lo que hemos visto sobre el concepto de entropía, podemos llegar a
predecir el mismísimo destino último del universo. Como hemos visto, la
entropía del universo en conjunto siempre tiende a aumentar y a alcanzar un
estado de equilibrio. En el momento último, no existirían focos calientes ni
fríos, pues estarían todos en equilibrio térmico, el estado de máxima entropía.
Y dado que no fluiría el calor en ningún punto del universo, no sería posible
el movimiento, pues este viene dado, como pensaba Carnot, por el movimiento del
calor mismo. De esta forma, actualmente la teoría más aceptada sobre el final
del universo es esta, la muerte térmica y la no existencia de movimiento
mecánico nunca más.
Para
hacer una relación con el tema que hemos estado viendo en clase, la
termoquímica, vamos a hacer mención de una magnitud estudiada, la llamada Energía Libre de Gibbs, cuya variación
decidía la espontaneidad de las reacciones, y que viene dada por la fórmula: G = H - T·S. Tanto la fórmula como el
nombre de la magnitud se parecen a la Energía Libre (F), y es que deriva directamente de ahí, siendo H = U + p·V; y siendo U la energía interna del sistema. Y de
esta forma se ve que cuanto mayor incremento de entropía, mayor probabilidades
de que sea espontánea, pero que también depende de que sea exotérmica o
endotérmica, y de cuanta energía se libere.
Antes
de terminar, me gustaría hacer mención de una teoría sobre la entropía y el
tiempo. En los procesos macroscópicos, se ve perfectamente que según aumenta el
tiempo, aumenta la entropía. Hay físicos que mantienen que no solo la entropía
aumenta con el tiempo, sino que también el tiempo con la entropía, dándole a
este un significado más profundo. En ese caso, si llegara a disminuir la
entropía del universo, el tiempo iría hacia atrás.
Son
solo teorías, pero curiosas, cuanto menos. Y este tipo de descubrimientos y
teorías nos permiten ver que el funcionamiento del universo podría esconder
muchos secretos que ni nos imaginamos, y tal vez que ni el tiempo es lo que
pensamos. Personalmente, este tipo de cosas me fascinan, por ello soy un gran
amante de la física, y deseoso de ver qué nuevos descubrimientos se harán.
Espero
no haber dado mucho el coñazo con este trabajo, ¡y un saludo, Juanjo!
Webgrafía
http://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa
http://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_ley_de_la_termodin%C3%A1mica
http://www.youtube.com/watch?v=--xvsRyG5Jw
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_libre_termodin%C3%A1mica
Imagen: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carnot_engine_scheme.svg
