El demonio de Maxwell

Experientia docet La dinámica del calor Artículo 26 de 28

Maxwell exploró los límites de una concepción estadística de la segunda ley mediante un “experimento mental” interesante. Supongamos que un recipiente de gas se divide por una membrana delgada en dos partes, el gas en una parte está más caliente que en la otra. “Ahora concibe un ser finito”, sugirió Maxwell, “que conoce las trayectorias y las velocidades de todas las moléculas, pero que no puede hacer otro trabajo que no sea abrir y cerrar un agujero en el diafragma”. Este “ser finito”, ahora conocido como el “demonio de Maxwell” puede calentar el gas caliente y enfriar el gas frío, permitiendo que las moléculas rápidas se muevan en una sola dirección a través del orificio (y las moléculas lentas en la otra), como se muestra en el diagrama, en el que, convencionalmente, el rojo representa moléculas de alta velocidad (y energía) y las azules de baja velocidad (y energía).

Por supuesto, no existe un demonio tan fantasioso (ni siquiera en forma de máquina) que pueda observar y seguir todas y cada una de las moléculas en un gas; por lo tanto, no existe ningún procedimiento como este para violar la segunda ley que puede realizarse en la práctica. De hecho, si de alguna manera se pudiera construir un “demonio”, podríamos encontrar que la propia entropía del demonio (que sería en sí mismo un sistema) se ve afectada por sus acciones. Así, su entropía podría aumentar lo suficiente como para compensar la disminución de la entropía del gas, con lo que la entropía neta aumenta, como dicta la segunda ley.

Esto es exactamente lo que sucede en otros sistemas donde se crea orden local, como en una bandeja de agua que se congela en cubos de hielo en un congelador; la entropía debe aumentar en algún otro lugar del universo, como en la habitación en la que está el congelador, donde se disipa el calor residual del motor del congelador.

Hay quien ha sugerido que ciertas moléculas grandes, como las enzimas, pueden funcionar como “demonios de Maxwell”. Las moléculas grandes pueden influir en los movimientos de las moléculas más pequeñas para construir las estructuras ordenadas de los sistemas vivos. Esto es algo que no ocurre en los objetos inanimados y sería una aparente violación de la segunda ley de la termodinámica. Esta sugerencia, sin embargo, lo que demuestra es que no se ha entendido un aspecto fundamental de la segunda ley.

Efectivamente, la segunda ley no dice que el orden no pueda aumentar nunca en un sistema. Hace esa afirmación solo para sistemas aislados. Cualquier sistema “no aislado”, que pueda intercambiar energía con su entorno, puede aumentar su propio orden sin violar la segunda ley, ya que la entropía del entorno aumentará, compensando la disminución en el sistema abierto y aumentando la entropía del universo. Exactamente igual que un congelador, que es un sistema cerrado pero no aislado.

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

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