El estatus de la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica tiene un estatus bastante diferente al de las leyes de conservación.

Efectivamente, si bien al igual que éstas la segunda ley es extremadamente efectiva y de gran alcance, además de ser una de las leyes fundamentales de la ciencia, tiene una diferencia fundamental con las leyes de conservación o con las leyes del movimiento de Newton. La segunda ley de la termodinámica más que proporcionar resultados mensurables con precisión establece qué procesos o fenómenos son imposibles.

Así, por ejemplo, es imposible hacer que la entropía del universo (o de un sistema aislado) disminuya; es imposible hacer que el flujo de calor vaya de un cuerpo frío a uno caliente a no ser que se efectúe trabajo sobre algo, como ocurre en una máquina frigorífica; es imposible inventar un motor térmico con una eficiencia superior al 100%.

En otras palabras, la segunda ley implica de forma fundamental que los procesos en los que interviene el calor suceden sólo en una dirección: la entropía aumenta; el calor fluye de objetos calientes a los fríos. Por lo tanto, la segunda ley enlaza de forma fundamental con la idea de que el tiempo transcurre en una sola dirección. Esto es, eso que vemos cuando hacemos que una película de acontecimientos cotidianos vaya marcha atrás no puede ocurrir en el mundo real. Por ejemplo, dos líquidos se pueden mezclar rápida y espontáneamente por sí mismos; pero no pueden desmezclarse espontáneamente

Hemos visto, aunque no lo hemos dicho expresamente así, que durante los procesos reversibles, como en los que intervienen máquinas térmicas ideales sin fricción, la entropía del universo se mantiene constante, o sea, que ΔSuniverso= 0 . Sin embargo, en todos los demás procesos, todos los que no son reversibles, la entropía del universo aumentará, ΔSuniverso> 0. Esto implica que no existe ningún caso en el que la entropía del universo disminuya. Lo que quiere decir, por ejemplo, que el calor no fluirá espontáneamente de los cuerpos fríos a los calientes, porque ello implicaría una disminución de entropía. De forma análoga, no cabe esperar que una pelota que está en el suelo del patio adquiera espontáneamente energía del entorno y se lance hasta el tercer piso del colegio; ni que un huevo batido se desbata, ni que el barco en el que haces un crucero tome energía del mar y lance cubitos de hielo por la chimenea. Démonos cuenta de que todos estos procesos podrían ocurrir sin que se violase ninguna de las leyes de la mecánica newtoniana o ninguna ley de conservación. Pero son cosas que no pasan. Y no pasan porque las “prohíbe” la segunda ley de la termodinámica [1].

Todos los procesos reales [2] que podamos enumerar serán con casi total seguridad, irreversibles y, por lo tanto, contribuirán al incremento de la entropía del universo. Pero esto tiene una consecuencia ingenieril importante: el calor útil para conseguir que las máquinas hagan trabajo se está agotando. William Thomson, más conocido por la fórmula de tratamiento nobiliario británica, Lord Kelvin, predijo que al final todos los cuerpos del universo alcanzarían la misma temperatura a base de intercambiar calor unos con otros. Cuando esto ocurriese, sería imposible producir trabajo útil a partir del calor, ya que el trabajo solo se puede producir a partir de máquinas térmicas cuando el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos. Los ingenieros dejarían de ser necesarios, todo lo parecido a vida (una forma de máquina térmica) dejaría de existir, las estrellas se disgregarían tras apagarse, y el universo habría muerto [3].

Veremos estas ideas con más detalle y algo matizadas en próximas entregas cuando introduzcamos las moléculas en nuestro estudio de la dinámica del calor. Porque, efectivamente, para todo esto no nos ha hecho falta ni siquiera suponer que existen los átomos.

Nota:

[1] Entrecomillamos “prohíbe” porque la segunda ley, tal y como la hemos deducido, es solo una ley fenomenológica que describe qué ocurre, no prescribe qué ocurre. Es como los diccionarios bien entendidos, describen cómo se usa el lenguaje pero no tienen potestad alguna para decir cómo se debe hablar (por mucha autoridad dictatorial que alguno se atribuya y muchos seguidores que tenga el dictador).

[2] Preventivamente: un cambio infinitesimal es una idealización matemática.

[3] El tema de la muerte térmica puede encontrarse en muchos relatos de ciencia ficción. Especialmente reseñables son “La máquina del tiempo” de H.G. Wells y el relato breve “La última pregunta” de Isaac Asimov.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

1 Comentario

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Miquel ÀngelMiquel Àngel

Un artículo excelente. No se menciona los fenómenos espontáneos ni la similitud con las otras leyes naturales pero no se puede pedir mas con tan poc o. Muy acertada la frase final ya que se formuló la Ley antes de establecerse la teoría atómica

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