26 02 2024

Desentrañando la Física Moderna: Una Perspectiva Poco Comprendida

La Entropía: Regulando el Universo

La entropía. Lo rige todo desde las colisiones moleculares hasta tormentas inmensas, desde el inicio del universo pasando por toda su evolución hasta su inevitable final. De hecho, puede determinar la dirección del tiempo e incluso hacer la razón de que haya vida. Para comprobar la confusión acerca de este tema, solo hay que hacer una simple pregunta: qué obtiene la Tierra del Sol?

Reflexión sobre la Energía Solar

Yo creo: Rayos de Luz. ¿Qué obtenemos? Calor, calor, vitamina D. Tenemos vitamina D, vitamina D de los Rayos UV. Bueno, mucha energía que tiene la Tierra, ¿de la energía? Sí, energía. Energía. Exacto, todos los días la Tierra recibe cierta cantidad de energía del Sol. Entonces, ¿cuánta energía regresa a la Tierra al espacio con relación a la cantidad que obtiene del Sol?

Quizá no demasiada. No creo que solo la irradiemos de vuelta, creo que menos, menos, yo creo que menos. Supongo que un 70% es una fracción, yo digo que un 20% porque usamos parte de ella, usamos parte de la energía, consumimos mucha. No, pero lo que pasa con la energía es que nunca desaparece, no se puede agotar. Tendría que haber equilibrio, no soy la misma cantidad, ya sabes. Causa y efecto sería, en cierto modo, igual. No en casi toda la historia de la Tierra, la cantidad de energía que entra del Sol y la que la Tierra irradia al espacio debería ser exactamente igual.

¿Entonces qué es lo que obtenemos realmente del Sol? Buena pregunta, nos da un buen bronceado, me encanta, obtenemos algo especial del Sol, no sé, que obtenemos energía, pero nadie habla de eso.

El Motor Térmico de Carnot y la Entropía

Para responder eso debemos remontarnos a un descubrimiento hecho hace dos siglos. Durante el invierno de 1813, los ejércitos de Austria, Prusia y Rusia estaban invadiendo Francia. El hijo de uno de los generales de Napoleón era Sadie Carnot, un estudiante de 17 años. Él escribió una carta a Napoleón diciéndole que quería unirse a la lucha. Napoleón, preocupado por la batalla, no respondió, pero a Carnot se le cumplió su deseo unos meses después cuando París fue atacado. Los estudiantes defendieron un castillo al este de la ciudad, pero no eran rival para los ejércitos que avanzaban y París cayó después de solo un día de lucha.

Obligado a retirarse, Carnot estaba devastado. Siete años después, fue a visitar a su padre, quien había huido a Prusia después de la derrota de Napoleón. Su padre no solo era general, también era físico. Escribió un ensayo acerca de cómo la energía se transfiere más eficientemente en sistemas mecánicos. Durante la visita de su hijo, hablaron largamente sobre las máquinas de vapor, un gran avance del momento. Las máquinas de vapor ya se usaban para impulsar barcos, extraer minerales y tragar puertos, y era evidente que el poderío industrial y militar de las naciones dependía de tener las mejores máquinas de vapor.

Pero los diseños franceses iban a la saga de los otros países como Gran Bretaña y Sadie Carnot se dio a la tarea de averiguar por qué. En ese entonces, aún las mejores máquinas de vapor solo convertían alrededor del 3% de energía térmica en trabajo mecánico útil. Si pudiera mejorar eso, le podría dar a Francia una ventaja enorme y restaurar su lugar en el mundo. Así que pasó los siguientes tres años estudiando motores térmicos.

Y una de sus ideas claves es cómo funcionaría un motor térmico ideal sin fricción ni pérdidas hacia el ambiente. Se ve algo así: tomen dos barras de metal muy grandes, una caliente y otra fría. El motor se compone de una cámara llena de aire a la cual el calor solo puede entrar o salir por la parte inferior. Dentro de la cámara hay un pistón que está conectado a un volante de inercia. El aire inicia a una temperatura justo por debajo de la de la barra caliente.

Primero, la barra caliente entra en contacto con la cámara. El aire del interior se expande con el calor que entra para mantener su temperatura. Esto empuja el pistón hacia arriba y hace girar el volante. Luego, se retira la barra caliente, pero el aire en la cámara sigue expandiéndose, pero ahora que ya no entra calor, la temperatura desciende idealmente hasta alcanzar la temperatura de la barra fría. Y la barra fría entonces entra en contacto con la cámara y el volante empuja el pistón hacia abajo y a medida que se comprime el aire, el calor se transfiere a la barra fría.

Al retirar la barra fría, el volante comprime el aire aún más, aumentando su temperatura justo por debajo de la de la barra caliente. A continuación, la barra caliente vuelve a hacer contacto y el ciclo se repite. Durante este proceso, el calor de la barra caliente se convierte en la energía del volante de inercia. Y lo interesante del motor ideal de Carnot es que es totalmente reversible.

Si haces funcionar el motor a la inversa, primero, el aire se va a expandir bajando su temperatura. Luego, la cámara entrará en contacto con la barra fría, el aire se expandirá más tomando el calor de la barra fría y aumentando su temperatura. Finalmente, la cámara entra en contacto con la barra caliente y el aire comprimido toma el calor de la barra caliente y sube su temperatura.

El motor térmico de Carnot marcó un antes y un después en la historia de la física porque introdujo el concepto de la entropía. Él se dio cuenta de que cuanto más tiempo estuviera el gas en contacto con una fuente de calor, más trabajo podría hacer. Pero también se dio cuenta de que esto nunca podría ser un proceso cíclico. La reversibilidad total de un motor ideal significaría que todo el trabajo hecho durante un ciclo podría rehacerse al invertir el ciclo. Por ejemplo, si se utiliza la energía de un motor para cargar una batería y luego se utiliza esa batería para hacer funcionar el motor al revés, debería obtener exactamente la misma cantidad de trabajo de vuelta. Pero esto solo es posible si no se ha perdido nada de energía en el proceso.

El calor, sin embargo, fluye naturalmente de una región caliente a una fría, y en el proceso, siempre se pierde parte de esa energía. Esta pérdida de energía se debe al desorden en el sistema. Y Carnot lo llamó entropía, de la palabra griega para transformación.

La entropía de un sistema se define como la cantidad de desorden presente en él. Se puede pensar en ello como la cantidad de calor que no se puede convertir en trabajo útil. Y cuanto más desordenado es un sistema, mayor es su entropía. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado nunca disminuye. Por lo tanto, siempre habrá una pérdida de energía en forma de calor en cualquier proceso.

Entonces, volviendo a la pregunta inicial, ¿qué obtiene realmente la Tierra del Sol? La respuesta es: la Tierra obtiene entropía del Sol. A medida que la energía del Sol se convierte en calor en la Tierra y se irradia de nuevo al espacio, parte de esa energía se pierde como desorden, como entropía. Y es este flujo constante de energía y entropía lo que impulsa el clima de la Tierra, los océanos y la atmósfera.

La entropía no solo es importante en la física y la termodinámica, sino que también se aplica a campos tan diversos como la información, la biología y la economía. En la teoría de la información, la entropía se refiere a la incertidumbre en un sistema y se utiliza para cuantificar la cantidad de información contenida en él. En biología, la entropía se relaciona con el concepto de entropía negativa, donde los organismos vivos pueden disminuir su entropía interna al aumentar el desorden en su entorno. Y en economía, la entropía se usa para describir la distribución desigual de la riqueza y la energía en un sistema económico.

En resumen, la entropía es un concepto fundamental que se aplica a una amplia gama de fenómenos naturales y humanos. Desde la física hasta la biología y la economía, la entropía nos ayuda a comprender cómo funciona el mundo que nos rodea y cómo podemos interactuar con él de manera efectiva.