09 Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica es un pilar de la física moderna. Afirma que el calor pasa de los cuerpos calientes a los fríos y no al contrario. Como el calor mide el desorden o entropía, otra forma de expresar este concepto es que para un sistema aislado la entropía siempre aumenta. La segunda ley está vinculada a la progresión de tiempo y al destino final del universo.

Cuando añade café caliente a su vaso de hielo, el hielo se calienta y se derrite, y el café se enfría. ¿Se ha preguntado alguna vez por qué no se hacen más extremas las temperaturas? El café podría extraer calor del hielo, calentándose más y haciendo que el hielo se enfriara aún más. Nuestra experiencia nos dice que esto no es lo que sucede, pero ¿por qué no?

La tendencia de los cuerpos calientes y fríos a intercambiar calor y a alcanzar una temperatura uniforme queda expresada por la segunda ley de la termodinámica. A grandes rasgos, afirma que el calor no puede fluir de un objeto frío a otro caliente.

Entonces, ¿cómo funcionan las neveras? ¿Por qué podemos congelar un vaso de zumo de naranja si no podemos transferir su calidez a otra cosa? La segunda ley nos permite hacer esto sólo en circunstancias especiales. Como consecuencia de enfriar las cosas, las neveras generan una gran cantidad de calor, cosa que se aprecia al poner la mano en la parte trasera. Como liberan calor, de hecho no quebrantan la segunda ley de la termodinámica si atendemos a la energía total de la nevera y su entorno.

Entropía El calor es realmente una medida de desorden y, en física, el desorden con frecuencia se cuantifica como «entropía», que mide los modos en que se ordenan un cierto número de elementos. Un paquete de espaguetis crudos, un fajo de palitos alineados, tiene una baja entropía porque los espaguetis están muy ordenados. Cuando se tiran a la olla de agua hirviendo y se mezclan, están más desordenados y por tanto su entropía es mayor. De forma similar, filas bien ordenadas de soldados de juguete tienen entropía baja, pero su distribución tiene una entropía mayor si están tirados por el suelo.

¿Qué tiene esto que ver con las neveras? Otra manera de formular la segunda ley de la termodinámica es que, para un sistema limitado, la entropía aumenta, nunca disminuye. La temperatura tiene una relación directa con la entropía y los cuerpos fríos tienen una entropía baja. Sus átomos están menos desordenados que los de los cuerpos calientes, que se mueven mucho más. Por lo tanto, cualquier cambio en la entropía de un sistema, considerando todas sus partes, tiene que producir un efecto neto que constituya un aumento.

En el caso de la nevera, el enfriamiento del zumo de naranja hace disminuir su entropía, pero esto queda compensado por el aire caliente que produce el electrodoméstico. De hecho el aumento en la entropía del aire caliente excede cualquier descenso debido a la congelación. Si tenemos en cuenta el sistema entero, la nevera y su entorno, la segunda ley de la termodinámica continúa siendo cierta. Otra forma de expresar la segunda ley de la termodinámica es que la entropía siempre aumenta.

La segunda ley es cierta para un sistema aislado, un sistema cerrado en el que no existen flujos de entrada ni de salida de energía. La energía se conserva en su interior. El propio universo es un sistema aislado, en el sentido de que nada existe fuera de él, por definición. Así pues, para el universo como un todo la energía se conserva y la entropía siempre aumenta. Las regiones pequeñas podrían experimentar un ligero descenso en la entropía, por ejemplo mediante el enfriamiento, pero esto tiene que tener una compensación, como en el caso de la nevera, por medio del calentamiento de otras zonas y la creación de más entropía de tal forma que la suma global aumente.

¿Qué aspecto tiene un aumento en la entropía? Si tira sirope de chocolate en un vaso de leche, empieza teniendo una entropía baja; la leche y el sirope aparecen como dos remolinos diferentes de blanco y marrón. Si aumentamos el desorden removiendo el contenido del vaso, las moléculas se mezclan. El punto final de máximo desorden se da cuando todo el sirope está completamente mezclado con la leche y se vuelve de un color pálido de caramelo.

Si pensamos de nuevo en el universo como un todo, la segunda ley implica también que los átomos gradualmente se desordenan cada vez más con el tiempo. Cualquier fragmento de materia se dispersará lentamente hasta que el universo esté inundado con sus átomos. Por consiguiente, el destino final del universo, que se inicia como un tapete multicolor de estrellas y galaxias, es un mar gris de átomos mezclados. Cuando el universo se haya expandido tanto que las galaxias se rompan y su materia se diluya, sólo quedará una sopa de partículas variadas. Suponiendo que el universo continúe su expansión, este estado final se denomina «muerte térmica».

Móvil perpetuo Como el calor es una forma de energía, se puede aprovechar como trabajo. Un motor de vapor convierte el calor en el movimiento mecánico de un pistón o una turbina, lo que genera electricidad. Gran parte de la ciencia de la termodinámica se desarrolló en el siglo XIX a partir de la ingeniería práctica de los motores de vapor. Otra consecuencia de la segunda ley es que los motores de vapor y otros motores que funcionan con energía térmica no son perfectos. En cualquier proceso en que se transforme el calor en otra forma de energía se pierde una pequeña parte de energía, de forma que la entropía del sistema en conjunto aumenta.

La idea de una máquina de movimiento continuo ha seducido a los científicos desde el medievo. La segunda ley de la termodinámica acalló sus esperanzas, pero se sabe que muchos de ellos propusieron esbozos de posibles máquinas. Robert Boyle diseñó un frasco de autollenado y el matemático indio Bhaskara propuso una rueda provista de pesas en los radios que impulsaba su propio giro soltando las pesas al rodar. De hecho, un examen más atento revela que ambas máquinas pierden energía. Ideas como éstas llegaron a ser tan corrientes que incluso en el siglo XVIII las máquinas del movimiento continuo se granjearon muy mala fama. Tanto la Real Academia Francesa de las Ciencias como la Oficina Americana de Patentes vetaron la consideración de las máquinas de movimiento continuo. En la actualidad, constituyen el feudo de inventores excéntricos de segunda.

El demonio de Maxwell Uno de los esfuerzos más controvertidos para contravenir la segunda ley de la termodinámica fue concebido como un experimento mental por el físico escocés James Clerk Maxwell, en la década de 1860. Imaginemos dos recipientes llenos de gas uno junto a otro, a la misma temperatura. Un pequeño agujero separa ambos recipientes, de forma que las partículas de gas pueden pasar de uno a otro. Si un lado estuviera más caliente que el otro, las partículas pasarían y gradualmente harían que la temperatura fuera más uniforme. Maxwell imaginó que había un pequeño demonio, un diablillo microscópico, que cogía únicamente las moléculas rápidas de uno de los recipientes y los pasaba al otro. De esta forma, la velocidad media de las moléculas del recipiente aumentaría, a expensas del otro. En tal caso, postuló Maxwell, el calor se trasladaría del recipiente más frío al más caliente. ¿No quebrantaría este proceso la segunda ley de la termodinámica? ¿Se podía transferir el calor a un cuerpo más caliente seleccionando las moléculas adecuadas?

Una explicación de por qué el demonio de Maxwell no funcionó ha desconcertado a los físicos desde entonces. Muchos han argumentado que el proceso de medir la velocidad de las partículas y de abrir y cerrar una puerta requiere trabajo y, por tanto, energía, así que esto significaría que la entropía total del sistema no disminuiría. Lo más cerca que cualquiera ha estado de una «máquina diabólica» es el trabajo a nanoescala del físico de Edimburgo David Leigh. Su creación ha separado efectivamente las partículas de movimiento rápido de las de movimiento lento, pero para hacerlo necesita una fuente de energía externa. Como no hay ningún mecanismo que pueda mover partículas sin utilizar energía adicional, ni siquiera los físicos actuales han hallado el modo de contravenir la segunda ley de la termodinámica.

Cronología:

1150 d. C.: Bhaskara propone la rueda del movimiento continuo.

1824 d. C.: Sadi Carnot sienta las bases de la termodinámica.

1850 d. C.: Rudolf Clausius define la entropía y la segunda ley.

1860 d. C.: Maxwell postula la existencia de su demonio.

2007 d. C.: Leigh afirma haber construido una máquina diabólica.

La idea en síntesis: ley del desorden