La entropía desvelada
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La entropía desvelada. Ensayo que muestra una explicación accesible y clara de uno de los postulados fundamentales de la física: ¿por qué crece el desorden en el universo? Realizado por el Doctor en Química-física por la Universidad Hebrea de Jerusalén, en su primera edición en 1978 y publicado en 2017 por Tusquets Editores S.A.
Sinopsis
Una explicación accesible y clara de uno de los postulados fundamentales de la física: ¿por qué crece el desorden en el universo? Para los poco versados en física, la «entropía»–término de origen griego que significa «transformación»–es un extraño concepto que tiene que ver, vagamente, con el calor y la energía, con el paso del orden al desorden, el aumento de la incertidumbre y la irreversibilidad del caos. Sea como fuere, la entropía siempre parece aumentar.
Los físicos, por su parte, precisan que la célebre segunda ley de la termodinámica (la que enuncia la entropía) establece que, en cualquier proceso espontáneo, es imposible convertir completamente el calor en trabajo, pues se pierde parte del calor. Pero por qué la naturaleza se comporta precisamente de este modo sigue siendo objeto de polémica, hasta el punto de que, en más de una ocasión, se ha dicho que la ley de la entropía constituye uno de los misterios más profundos de la física moderna.
Prólogo
Desde que escuché la palabra «entropía» por primera vez, me fascinó su naturaleza misteriosa. Recuerdo vívidamente mi primer encuentro con la entropía y con la segunda ley de la termodinámica. Fue hace más de cuarenta años. Recuerdo el aula, la profesora, incluso el lugar donde me sentaba: en primera fila, frente a la tarima donde ella estaba de pie.
Tras explicar el ciclo de Carnot, la eficiencia de los motores térmicos y las diversas formulaciones de la segunda ley, la profesora introdujo la intrigante y misteriosa magnitud conocida como Entropía. Me sentí confundido y desconcertado. Hasta entonces ella había expuesto conceptos con los que estábamos familiarizados: calor, trabajo, energía y temperatura. Pero ahora, de pronto, nos presentaba una palabra desconocida, nunca oída antes por nosotros, y que denotaba un concepto enteramente nuevo.
Esperé pacientemente a poder preguntar algo, aunque no estaba seguro de cuál sería la pregunta. ¿Qué es esa cosa llamada entropía y por qué aumenta siempre? ¿Es algo que podamos ver, tocar o percibir con alguno de nuestros sentidos? Al acabar su exposición, la profesora exclamó: « Si no entienden la segunda ley, no se desanimen. Están en buena compañía. Por ahora no están capacitados para entenderla, pero lo estarán cuando estudien termodinámica estadística el próximo curso». Con este comentario final eludía cualquier demanda de aclaración. La atmósfera quedó cargada de misterio. Todos permanecimos en silencio, con nuestra ansia de comprender insatisfecha.
Años más tarde comprobé que la profesora tenía razón al decir que la mecánica estadística alberga las claves para comprender la entropía, y que sin ella no hay manera de entender lo que hay detrás del concepto de entropía y de la segunda ley. Pero en aquel momento todos sospechamos que la profesora había optado por una elegante escapatoria de preguntas embarazosas que no podía responder, así que aceptamos su consejo sin convencimiento.
Aquel año nos enseñaron a calcular los cambios de entropía en numerosos procesos, desde la expansión de un gas ideal hasta la mezcla de gases, la transferencia de calor de un cuerpo caliente a uno frío, y muchos otros procesos espontáneos. Nos ejercitamos en el cálculo de incrementos de entropía, pero de hecho nos quedamos sin captar su esencia. Hacíamos los cálculos con destreza profesional, tratando la entropía como una magnitud más, pero en lo más hondo sentíamos que el concepto quedaba envuelto en un denso aire de misterio.
¿Qué es esa cosa llamada entropía? Sabíamos que se definía sobre la base del calor transferido (reversiblemente) dividido por la temperatura absoluta, pero no era ni una cosa ni otra. ¿Por qué aumenta siempre y de qué combustible se sirve para propulsarse hacia arriba? Estábamos acostumbrados a las leyes de conservación, que se conciben como más « naturales». La materia y la energía no pueden generarse de la nada, pero la entropía parece desafiar el sentido común. ¿Cómo puede una magnitud física « producir» inexorablemente más de sí misma sin ninguna fuente de alimentación aparente?
Recuerdo haber oído en una de las lecciones de química física que la entropía de la disolución de argón en agua es grande y negativa. La razón ofrecida era que el argón incrementa la estructura del agua. Un incremento de estructura equivalía a un incremento de orden, y la entropía se asociaba vagamente con el desorden, así que se suponía que eso explicaba el decremento de entropía. En aquella lección, nuestro profesor nos explicó que la entropía de un sistema puede disminuir cuando el sistema está acoplado a otro (como un termostato) y que la ley del aumento incesante de la entropía sólo vale para un sistema aislado (que no interactúa con su entorno). Este hecho no hacía más que aumentar el misterio.
No sólo no conocemos la fuente que alimenta el incremento de entropía, sino que, en principio, no hay fuente alguna, ningún mecanismo ni aporte externo. Además, ¿cómo se ha deslizado la idea de « estructura» u « orden» en la discusión de la entropía, un concepto definido en relación con calor y temperatura?
Al año siguiente aprendimos mecánica estadística, así como la relación entre la entropía y el número de estados, la famosa fórmula esculpida en la lápida de Ludwig Boltzmann en Viena. La relación de Boltzmann proporcionaba una interpretación de la entropía sobre la base del desorden, y del aumento de la entropía como el proceder de la naturaleza del orden al desorden. Ahora bien, ¿por qué debería un sistema pasar del orden al desorden? Éstos son conceptos intangibles, mientras que la entropía se definía a partir del calor y la temperatura.
El misterio del incremento perpetuo del desorden no resolvía el misterio de la entropía. Enseñé termodinámica y mecánica estadística durante muchos años, a lo largo de los cuales me di cuenta de que el misterio que envuelve la segunda ley no puede disiparse dentro del marco de la termodinámica clásica (o, mejor, la formulación no atomista de la segunda ley; véase el capítulo 1). Por otro lado, al contemplar la segunda ley desde el punto de vista molecular, comprendí que no había misterio alguno.
Argumento literario
Para los poco versados en ciencia, la «entropía» —término de origen griego que significa «transformación»— es un extraño concepto que tiene que ver, vagamente, con el calor y la energía, el paso del orden al desorden, el aumento de la incertidumbre y la irreversibilidad del caos. Sea como fuere, la entropía siempre parece estar creciendo.
Los científicos, por su parte, precisan que la célebre segunda ley de la termodinámica (la que enuncia la entropía) establece que, en cualquier proceso espontáneo, es imposible convertir completamente el calor en trabajo, pues se pierde parte del calor. Pero por qué la naturaleza se comporta de este modo sigue siendo objeto de polémica, hasta el punto de que, en más de una ocasión, se ha dicho que la ley de la entropía constituye uno de los misterios más profundos de la física moderna.
Escrito con el máximo rigor pero sin tecnicismos, este libro tiene como principal objetivo que el lector aplique sencillamente el sentido común y descubra que una de las leyes de mayor alcance en el universo es de una claridad meridiana.
Explica asimismo la fascinante evolución de la noción de entropía a partir de los trabajos de Sadi Carnot, Clausius, Lord Kelvin o el gran Ludwig Boltzmann. Ben-Naim, una autoridad mundial en el campo de la termodinámica, formula una sugestiva interpretación de la entropía apoyándose en la noción de pérdida de información.
Datos del autor
Arieh Ben-Naim. Nació en 1934 en Jerusalén. Doctor en química física por la Universidad Hebrea de Jerusalén, donde enseña termodinámica y mecánica estadística desde 1974. Especializado en bioquímica y biofísica, desde los años setenta hasta la actualidad ha impartido cursos en numerosas universidades de Europa y Estados Unidos y ha escrito numerosos artículos y libros dedicados a esta materia, entre los que destaca Farewell to entropy (2008).
Fuentes
- Arieh Ben-Naim. La entropía desvelada. España: Tusquets Editores S.A., 2017. 272 p.
- Artículo: La entropía desvelada. Datos. Tomado del sitio: www.casadellibro.com. Consultado el 7 de diciembre de 2020.
