Entropía (Universo Mecánico 47)

[Música] ah en un mundo de constantes restricciones hay una magnitud de la que quedan existencias en abundancia es la entropía la ciencia de la termodinámica se basa en cuatro postulados fundamentales o axiomas llamados los cuatro principios de la termodinámica de esos cuatro principios el segundo fue el primero que se descubrió el primero fue el segundo en descubrirse el tercer principio que se descubrió se llama principio cero y el cuarto se llama tercer principio pero todo eso tiene perfecto sentido porque la termodinámica es la más implacablemente lógica de todas las ciencias les diré brevemente lo que

son esos cuatro principios el principio cero dice precisamente que la temperatura tiene sentido el primero es la conservación de la energía el segundo principio es el principio de la entropía y el tercer principio dice que hay una temperatura tan baja que nunca se puede alcanzar a partir de esos cuatro principios se han deducido no sólo las propiedades de la materia sino el destino último del propio universo pero si queremos llegar a alguna parte será mejor que empecemos la academia de billar la tiza es un oculto santuario de la suerte donde tras el brillo chillón de

las luces se reúnen famosos del deporte elegantes de la alta sociedad y magnates de la industria con un interés como uno podría preguntarse cómo se las han arreglado esos caballeros para que sus nombres no salgan los picos y no digamos en las revistas especializadas un observador casual podría preguntarse qué hacen unos chicos como esos en un lugar como éste pero para los que están en el secreto su objetivo es evidente investigan las leyes de la termodinámica [Música] pero porque en la tiza en parte ciertamente es por su ambiente que es el último grito en elegancia

desenfadada no se necesita más explicación pero sobre todo es por el material de que dispone en especial el llamado instrumento que el interés de la ciencia parece que siempre se tiene a mano en la tiza incluso ahora mismo los distinguidos científicos sostienen sus cubetas en las manos [Música] debido a la naturaleza de este experimento se aconseja no se ha visto y menos aún practicado sin el consentimiento de los padres sostenida con gran cuidado cada cubeta contiene un poco de fluido experimental que por desgracia crea dependencia sin embargo antes de que las cosas comiencen a salirse

de madre el fluido fue vertido en las cubetas a una temperatura de 295 grados kelvin y después se añadieron con precisión científica varios cubos geométricos de h2o cristalizado la temperatura inicial de los cristales era de 273 grados kelvin [Música] con el tiempo el calor del fluido caliente pasa a los cubos pero el hielo por el contrario no se calienta los cubos no se derriten inmediatamente lo cual suscita una controversia científica que naturalmente hace que sean necesarias más pruebas [Música] en un total de 126 experimentos ninguno de los científicos de la tiza pudo encontrar un solo

caso de un cubo de hielo caliente pero por otra parte si encontraba una mezcla diluida de las cualidades del fluido experimental el hielo manteniéndose a una temperatura constante de 273 grados kelvin se funde en agua líquida a medida que el calor penetra en él [Música] cómo se explica este extraño comportamiento en la tiza o para el caso en cualquier parte del mundo al fin y al cabo el hielo se funde por supuesto pero mientras se mantiene en estado sólido porque no se calienta en todo caso al final tanto el hielo como el fluido experimental y

de hecho todas las cosas terminan por alcanzar un estado de equilibrio [Música] en alguna parte al menos en teoría existe un estado celestial llamado equilibrio pero en el mundo real el equilibrio es muy difícil de hallar en una isla de la polinesia el planeta se agrieta y el fuego líquido burbujear desde su interior y en el centro polar del océano ártico la original máquina de hielo del mundo está trabajando día y noche en el profundo y oscuro corazón de la zona ecuatorial el sol abrasa una sábana con implacable regularidad y a muy poca distancia un

líquido se mueve con estruendo por entre las rocas hacia abajo ciertamente desde el principio a través de ella y hasta sus confines la propia tierra es una gran máquina una fábrica que nunca deja de funcionar que nunca hace una pausa ni se pone en huelga la máquina de la naturaleza una central impulsada sin interrupción por la energía ilimitada del sol [Música] tanto los vientos alisios de los grandes océanos como los motores diésel de los grandes barcos que lo surcan todas las máquinas funcionan porque el calor en movimiento puede poner en movimiento a la materia [Música]

[Risas] durante varios siglos la máquina térmica se ha extendido a lo largo ya lo ancho del mundo pero tanto en el pasado como en el presente el calor sólo se mueve en una dirección desde la temperatura alta hacia la temperatura baja [Música] la existencia de cualquier máquina en la tierra incluyendo la propia tierra depende de que una de sus partes esté funcionando a una temperatura más alta que la otra [Música] en la máquina de la naturaleza por ejemplo fuertes corrientes son impulsadas a través de la atmósfera de la tierra a causa de la diferencia entre

la temperatura del ecuador y la temperatura de los polos desde un polo a otro polo y desde una máquina a otra máquina el principio es siempre el mismo en este vehículo es la diferencia entre la temperatura de la mezcla de gasolina y aire explotando en los cilindros y la temperatura del agua circulando por un sistema de refrigeración las máquinas de vapor operan entre la temperatura alta del fogón y la temperatura baja de la atmósfera cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas cuanto más caliente esté una parte de la máquina y más fría la otra mejor

funciona si deja de fluir combustible y la parte más caliente de la máquina se enfría está separa evidentemente eso puede causar dificultades si todas las partes de la máquina alcanza la misma temperatura si haces a todo movimiento y deja de haber vitalidad la máquina alcanza su estado final el estado de equilibrio desde una perspectiva científica cuál es el aspecto general en este cálculo de dinámica molecular cada par de átomos han sido programados para que actúen entre sí con una auténtica fuerza inter atómica entonces qué es lo que sucede realmente cuando un cuerpo caliente entra en

contacto con uno frío [Música] la energía térmica se propaga desde el cuerpo caliente al frío hasta que ambos alcancen la misma temperatura [Música] este es el estado de equilibrio térmico a primera vista el equilibrio térmico parece diferente de la idea mecánica de equilibrio estable que impide que un cuerpo caiga pero veámoslo más en detalle cuando un cuerpo que cae choca con el suelo cada rebote es menor que el anterior y por qué es así es así porque la energía cinética del cuerpo como un todo se va transformando en el caótico movimiento de los átomos que

lo componen ese proceso es muy similar al del calor que se propaga un cuerpo frío el resultado final es el mismo con el tiempo toda la energía disponible se llega a distribuir como energía cinética y potencial de los movimientos aleatorios de todos los átomos por lo tanto aunque la idea de equilibrio parece lo definitivo en paz y serenidad esa perspectiva oculta el agitado movimiento de los átomos en el interior así que entender el equilibrio es cuestión de perspectiva de mirar más dentro y más allá [Música] como el equilibrio es un estado en el que todas

las temperaturas son iguales el equilibrio es un lugar donde ninguna máquina funciona no hay géiseres lanzando sus chorros ni volcanes en erupción ni cataratas de agua las grandes máquinas no quieren funcionar y las pequeñas no pueden en todas partes la naturaleza parece impulsada hacia el estado de equilibrio cuerpos calientes y cuerpos fríos luchando por conseguir la misma temperatura y cuerpos que caen convirtiendo un trabajo muy bueno en calor inútil desde el punto de vista de los físicos cuando la naturaleza tiende a comportarse de una forma tan universal debe haber una explicación científica pillay la explicación

comenzó como una idea naturalmente una idea para la construcción de una máquina de vapor mejor un joven llamado carne cuya lógica fue capaz de demostrar que para una fuente de trabajo competente ninguna tan eficiente como una que sencillamente no funcione las ideas más grandes de sadi carnot nunca funcionaron y en el mundo real probablemente nunca funcionarán no obstante él había decidido crear una máquina tan perfecta como la naturaleza lo permitiera y la lógica para llegar muy cerca de ella dada una diferencia de temperaturas una temperatura alta te sube y una temperatura baja te sub zero

car no diseñó una perfecta abstracción la máquina de kart no toma calor q sube a la temperatura alta convierte una parte del trabajo w y expulsa el resto cursor 0 como calor a la temperatura más baja [Música] como el ciclo de carnet podía funcionar igualmente en sentido inverso era la imagen de la máquina ideal la máquina más eficiente que posiblemente las leyes de la naturaleza podían permitir pero con la temprana muerte de carnota sus ideas prácticamente desconocidas desde el principio parecían destinadas a quedar en el olvido y seguramente ese hubiera sido su final si los

grandes científicos no se hubieran interesado por la teoría de carnota rudolf clausus físico alemán y william thompson profesor de filosofía de la naturaleza en glasgow que más tarde se convertirá en lord kelvin del catador los manuscritos originales de karma de esas mismas páginas nació la ciencia de la termodinámica [Música] en el razonamiento de carnota clausus y thomson observaron un hecho asombroso lo vieron en términos de una simplicidad matemática asombrosa [Música] en la máquina ideal de carne el cociente entre el calor tomado y el calor desperdiciado era igual al cociente entre las dos temperaturas absolutas necesarias

para el funcionamiento de la máquina dicho en otras palabras este era el ideal que procedía de la imaginación de carne lo que entra sigue siendo lo mismo al salir pero si no es el calor ni es la temperatura pies el calor / la temperatura a la que fluyen y según clausus eso es la entropía en una máquina de carbón una cierta entropía en la temperatura alta realiza su trabajo y la misma cantidad de entropía sale a temperatura baja o sea que una máquina ideal no solamente conserva la energía conserva también la entropía eso es el

ideal pero qué pasa en la realidad en el mundo real qué sucede realmente con la máquina jade y rechinante por un lado todas las máquinas conservan la energía el trabajo es igual a la diferencia entre el calor que entra y el calor cedido pero utilizando las mismas temperaturas la máquina real produce menos trabajo que la máquina ideal de carnota realiza menos trabajo y desprende más calor así aun cuando la entropía que entra pueda ser la misma que en la máquina de carnota la entropía que sale es mayor eso es un hecho asombroso [Música] la entropía

que sale de una máquina real es mayor que la entropía que entra podría eso significar que la máquina real crea entropía de la nada en realidad sí y eso es porque las máquinas reales el calor que fluye no es eso térmico los movimientos del émbolo no son a diabéticos hay siempre rozamiento entre las partes en movimiento independientemente de lo que pueda ser su producto final todas las máquinas reales fabrican entropía independientemente de las condiciones del lugar de trabajo las existencias de entropía crecen siempre e independientemente del lugar de trabajo los seres humanos no poseen la

patente de fabricación de la entropía día tras día las máquinas de la madre naturaleza van fabricando entropía y nadie sobre la tierra puede competir con ellas cada cuerpo material en cualquier lugar del universo contiene entropía y aunque no siempre es fácil decir cuánta entropía contiene no es demasiado difícil determinar cuándo circula entropía de un cuerpo a otro si el calor sale de un cuerpo a la temperatura t la entropía del cuerpo disminuye en q partido por t si el calor entra la temperatura t la entropía del cuerpo se incrementa en esa cantidad cuando a través

del cosmos fluye calor fluye entropía con él todas las máquinas extraen calor de una parte del sol quizás o de la caldera de un barco utilizan parte de él para hacer su trabajo y después liberan el resto no tiene demasiada importancia a dónde vais el resto no en el gran esquema de las cosas a la atmósfera al mar oa cualquier lugar que esté frío y que sea lo suficientemente grande como para no verse afectado por esa aportación de calor las máquinas diseñadas por el hombre funcionan de una forma muy similar a las que la madre

naturaleza preparo mientras el calor fluya desde una temperatura alta a otra más baja las cosas marchan sobre ruedas y mientras haya combustible carbón petróleo madera o cualquier cosa que sirva seguir enganchado pero si se acaba el combustible deja de haber flujo de calor el cuerpo se enfría su temperatura baja poco a poco y cuando llega la misma temperatura del medio que le rodea está en un estado de equilibrio siempre que circule el calor y un cuerpo caliente esté más caliente que el cuerpo frío aumentará la entropía y continuará aumentando hasta que no pueda suceder otra

cosa hasta el estado de equilibrio cuando esto ocurre la entropía no crece más dicho de otro modo el estado de equilibrio es el estado de máxima entropía todos los procesos de la naturaleza se pueden ver siempre por todo el universo como una constante marcha para aumentar la entropía y aunque esos hechos hayan sido comprobados en la mayoría de los circuitos científicos algunos investigadores no cesarán en su empeño quizás sea porque hay un hecho que todavía deja perplejos a los más curiosos aunque el hielo se funde cuando recibe calor procedente del fluido experimental no se calienta

mientras algo de él quede en estado sólido porque un flujo de calor produce la transformación del hielo en agua a una temperatura constante por consiguiente mientras el hielo se esté transformando en agua la entropía del agua está aumentando y así el agua es un estado de más alta entropía que el hielo en realidad cualquier sólido es un estado de más baja entropía que el de la misma materia el formalismo el líquido es un estado de la materia más caótico y desordenado que el sólido tiene mayor entropía en la tierra y en el mar o en

el mar ni en la tierra o en cualquier lugar del universo entropía creciente significa tosquedad y desorden creciente el propio hielo un sólido cristalino es un estado de la materia en el que las moléculas existen en una estructura proporcionada geométricamente simétrica en un sólido cuando los átomos se agrupan en la configuración más favorable las moléculas se organizan de modo que reduzcan al mínimo su energía potencial el agua presenta un cuadro diferente recuerden las moléculas de líquidos son caóticas desordenadas dispersas y desorganizadas evidentemente las moléculas líquidas no minimizan su energía potencial como lo hacen las de

los sólidos y así los líquidos no sólo tienen más entropía que los sólidos también tienen una energía potencial mayor y por tanto más energía total fundir o no fundir esa es la cuestión si la dinámica no está completamente clara como un cristal en este caso como un cristal del hielo consideremos lo desde el punto de vista del cubo de hielo cuando el hielo se funde se convierte en agua o un estado de mayor entropía y eso está bien porque la naturaleza le gusta precisamente que aumente la entropía pero un momento antes de fundirse antes de

transformarse en agua el hielo debe también aumentar su energía por lo cual requiere extraer energía del resto del universo pero si es energía calorífica fluye desde el mundo hacia el hielo se reducirá la entropía del resto del universo y eso no está bien es muy malo la entropía del resto del mundo disminuye en la cantidad de energía que fluye dividida por la temperatura recuerden que la naturaleza siempre necesita aumentar la entropía en este caso la entropía del hielo más la del resto del universo [Música] si la temperatura fuera muy baja sería ciertamente muy malo fundir

el hielo produciría un gran descenso en la entropía de todo el universo [Música] y si la temperatura fuera muy alta no sería tan malo la entropía del conjunto aumentaría cuando se funde el hielo eso es por lo que en el gran esquema de las cosas el hielo nunca se derrite a temperatura baja y el hielo nunca existe a temperatura más alta mientras tanto de vuelta a la pista por no hablar de la adversa a su conjunto hay en alguna parte una temperatura intermedia que no favorece al hielo ni al agua [Música] es la única temperatura

a la que el hielo y el agua pueden coexistir eso explica por qué esas cubetas científicas no se calentaran hasta que todo el hielo se haya derretido así en el lenguaje científico de la tiza la magnitud que la naturaleza se esfuerza por maximizar no es solamente la entropía del hielo a una determinada temperatura es la entropía menos la energía dividida por la temperatura del hielo a medida que la energía de cualquier muestra - la temperatura multiplicada por la entropía disminuye la entropía de todo el universo aumenta a menos de por s es la energía libre

aunque no hay algo así como comida libre si hay una gran cantidad de energía libre cada partícula de materia en el mundo hace que su propia parte de energía libre sea lo más pequeña posible eso es lo que se requiere para maximizar la entropía del universo de modo que tanto dentro de los confines de una cubeta científica como por todo el universo la ley del crecimiento de entropía dirige a la materia desde el orden al desorden durante algún tiempo se ha pensado que la entropía creciente en el universo conduciría al propio universo a un estado

definitivo de desorden y a eso le llaman la muerte térmica del universo no parece un buen porvenir es una noción provocadora al menos peligrosa y queda aún la cuestión hundir a toda esta entropía creciente al universo en un estado de caos total si es así no sería la primera vez que se descubre el destino del universo en un vaso de whisky con hielo y y así el principio de entropía nos ayuda a comprender el rendimiento de las máquinas de vapor y además porque los líquidos se congelan a una cierta temperatura y los sólidos se funden

a una cierta temperatura pero hay alguna gente que creen que tiene un significado más profundo y piensan que el principio de la entropía define la dirección del flujo del tiempo voy a explicarme supongamos posible ver un choque entre dos átomos un átomo podría venir así y salir por aquí y el otro átomo tras chocar con él sale en esta dirección bien si vieran una película de esta colisión no serían capaces de decir si la película se ha proyectado hacia adelante o hacia atrás porque a nivel microscópico la ley de la entropía no se aplica las

leyes de la física funcionan igualmente en un sentido o en el inverso según las leyes de la física a este nivel el tiempo no tiene una dirección determinada pero en lugar de eso supongamos que ven a alguien dejar caer una pelota desde una torre viendo una película de esto ustedes dirían inmediatamente si se estaba proyectando hacia delante o hacia atrás cuando va hacia adelante los botes de la pelota se van haciendo cada vez más pequeñas si vieran que se hacen cada vez mayores sabrían inmediatamente que la película iba hacia atrás bien pues lo que ocurre

en ese caso es que la energía de la pelota se va convirtiendo en calor y eso aumenta la entropía del universo y ustedes ya saben sin que nadie se lo tenga que explicar que la manera correcta de pasar la película es en la dirección en que aumenta la entropía y eso es lo que determina la dirección del curso del tiempo y de igual manera y quien piensa que el segundo principio de la termodinámica determina la dirección del curso del tiempo pero otros dicen que el segundo principio es una mera tautología la entropía aumenta con el

tiempo y el tiempo aumenta con la entropía luego keith de nuevo yo no pienso así comprendo perfectamente en qué dirección corre el tiempo y naturalmente pienso que el nuestro se ha acabado así que hasta la próxima vez si la entropía disminuye hasta la vez pasada