La teoría cinética y la segunda ley de la termodinámica

El modelo de la teoría cinética puede explicar el comportamiento de un gas cuando es comprimido o expandido, calentado o enfriado. A finales del siglo XIX, el modelo fue refinado para tener en cuenta muchos efectos que no vamos a discutir. Eso sí, también se descubrieron límites más allá de los cuales el modelo se descompone. Un ejemplo sencillo y evidente: el que el calor llegue del Sol a través del vacío del espacio no es explicable en términos del movimiento térmico de partículas; este fenómeno en todo caso es prueba de algo muy diferente, a saber, que ese calor es una forma de onda electromagnética. Pero en la mayoría de los casos el modelo funcionó espléndidamente, explicando el fenómeno del calor en términos de movimientos ordinarios de partículas submicroscópicas. Cumplió en buena medida con la esperanza que Newton había expresado en los Principia y en Opticks de que todos los fenómenos de la naturaleza podían explicarse en términos del movimiento de las pequeñas partes que constituyen la materia (átomos).

Para mediados del siglo XIX, con las leyes de conservación para momento y energía bien establecidas, el concepto de irreversibilidad de los procesos adquiere cada vez mayor importancia. Vimos el origen de esta preocupación cuando repasamos los límites de eficiencia de las máquinas de vapor y el concepto de irreversibilidad se materializó en la segunda ley de la termodinámica. Esta ley se puede expresar de distintas formas equivalentes:

  • El calor no fluye por sí mismo desde un cuerpo a menor temperatura a otro a mayor temperatura

  • Es imposible convertir completamente en trabajo una cantidad de calor determinada.

  • La entropía de un sistema aislado, y por tanto del universo, aumenta siempre.

El hecho de que el calor no sea otra cosa que movimientos ordinarios de partículas submicroscópicas nos permite alcanzar, intuitivamente otra forma de expresar la segunda ley. Veamos.

Los procesos de batir un huevo, de mezclar humo y aire, o de desgastar una pieza de maquinaria, no parecen, a primera vista, obedecer las mismas leyes que los motores térmicos. Sin embargo, estos procesos también se rigen por la segunda ley. El calor, se infiere de nuestro modelo, no es más que los movimientos desordenados, aleatorios,de átomos y moléculas. Por lo tanto la conversión de trabajo mecánico ordenado en calor (por ejemplo, el empuje de un pistón en un cilindro lleno de gas), produce un aumento de su tempertaura o, lo que es lo mismo, un incremento del movimiento desordenado de las moléculas del gas. Vemos así que la entropía es una medida del desorden de un sistema [1][2].

Por tanto, los procesos irreversibles son procesos en los que la entropía se incrementa, y este incremento de la entropía es un incremento en el desorden de los átomos, moléculas o cualquier tipo de partículas que formen el sistema. Llegamos así a una nueva expresión de la segunda ley:

En un sistema aislado [3] en el que tenga lugar un proceso irreversible, Universo incluido, el desorden aumenta siempre.

Notas:

[1] El que la entropía se pueda definir en términos de desorden es algo demostrable matemáticamente, pero no es este el lugar para hacerlo.

[2] Un error habitual es igualar entropía con cualquier tipo de desorden. Vemos de forma muy sencilla a qué tipo de desorden nos referimos.

[3] Por la lógica que seguimos en esta serie limitamos nuestras afirmaciones a sistemas aislados. La segunda ley también se aplica a sistemas no cerrados. Pero esto se escapa del ámbito de la serie.

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

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