¡Al cuerno con las leyes de la termodinámica!

Una teoría es tanto más grandiosa cuanto mayor es la sencillez de sus premisas (…) De aquí la profunda impresión que produjo en mi la Termodinámica. Es la única teoría universal que (…) estoy convencido que jamás será desechada.

Albert Einstein

Dicho tal cual puede sonar muy atrevido, incluso para el bueno del profesor Einstein. Él mismo hizo algunas contribuciones muy importantes a la Termodinámica y a la teoría cinética. Y su fascinación por la sencillez influyó notablemente en que toda la relatividad especial se construya partiendo de dos hipótesis. Pero no hemos venido aquí a hablar de relatividad.

Quien más, quien menos ha oído hablar alguna vez de las leyes de la termodinámica. Son cuatro en total, aunque dos son las más importantes y las otras dos tratan de aclarar algunos aspectos concretos de la teoría. Podemos enunciarlas, simplificando un poco, de la siguiente manera:

  1. Principio de conservación de la energía: La energía ni se crea ni se destruye.
  2. No existe un proceso cíclico que absorba calor de una fuente y convierta toda esa energía en trabajo. También se puede enunciar diciendo: No es posible un proceso que como único resultado transfiera calor de un foco frío a uno caliente.

La razón de definir el segundo principio de distintas maneras es porque clásicamente se estudiaba la Termodinámica a partir de las máquinas térmicas, que no son más que distintos procesos en los cuales mediante transferencia de calor el sistema desarrolla una cierta cantidad de trabajo. También existen el principio cero, que define la manera en que se debe hacer una escala de temperatura y el principio tres que establece que el cero de entropía se encuentra en el cero absoluto de temperatura. Pero dado que se trata de definiciones su importancia es menor a la del principio uno y el principio dos.

Repercusiones del primer principio de la termodinámica.

Como dijimos en un principio, a Einstein le fascinó la termodinámica porque sus sencillas premisas influían en un montón de cosas. Y es que, por más que uno se empeñe, no puede escapar de ellos.

El primer principio es algo que nos metieron a fuego en la escuela y que muchas veces se recita sin otorgarle la importancia que merece. La ley de conservación de la energía es fundamental para entender casi cualquier interacción que sucede en nuestro universo. Y es que el saldo de energía es inapelable: al final debe irse lo comido por lo servido. Incluso a nivel cuántico, donde el principio de incertidumbre permite hacer trampas como robarle una cierta cantidad de energía al vacío, al final alguien tiene que devolver esa energía o pagar la deuda.

Gracias a esta pequeña trampa existen las partículas virtuales: unas partículas que nacen de la nada y que mueren cuando se cumple el plazo de entrega: cuanta más energía robes, menos tiempo puede vivir. A menos que otro pringao salde esa deuda. Si ese pardillo es un agujero negro, y resulta que muy cerquita de él se crea un par de partícula-antipartícula virtuales y el agujero negro se come una de ellas, como la otra ya no puede devolver la deuda el agujero negro pierde masa para saldarla. Y es que la conservación de la energía es peor que Hacienda. Es imposible escapar de ella. Al final, el balance se cumple siempre.

Entrar en por qué ocurre esto es casi una cuestión epistemológica. Es decir, existen leyes físicas en otros campos diferentes que preciden que si se cumplen ciertas condiciones entonces las magnitudes se conservan. Y esto es de gran utilidad porque a veces la complejidad del problema puede ser muy grande pero al menos sabes que el balance inicial debe ser igual al balance final.

¿Qué pasaría si no se conservara la energía?

Si existiera algún sumidero de energía, de modo que la energía desaparece netamente y no se incorpora “nueva energía” entonces sería de esperar que el universo paulatinamente fuera decayendo a un estado de energía cero. Sería como si el universo fuera una piscina inmensa donde podemos usar el agua para lo que queramos siempre que no salpiquemos fuera de la piscina. Si alguien coje y abre el tapón del desagüe nos quedamos y sin agua, entonces no podríamos chapotear ni jugar water-polo e, incluso, si hubiera pececillos morirían en el fondo los pobres. Todo sería demasiado aburrido. El universo se extinguiría sin algo que aportase energía.

Aquí podríamos acudir al llamado “principio antrópico” que tanto le gusta mencionar al profesor Stephen Hawking que viene a decir que las cosas que vemos son como son porque si fueran distintas no estaríamos aquí para verlo. Si existiera ese tapón que tapa ese desague ya no estaríamos aquí ni para escribir este post ni para leerlo. Así que este principio nos induce a pensar que tal desague no existe o al menos, nadie ha encontrado la manera de quitar el tapón. Y mientras tanto podemos seguir chapoteando inocentemente en las aguas ficticias de nuestro universo.

Inmediatamente nos damos cuenta de que el caso contrario también sería un desastre. Si en vez de un sumidero existieran fuentes de energía entonces todo se iría calentando más y más sin parar y obviamente tampoco tendríamos la oportunidad de cuestionarnos por qué suceden las cosas.

Así que al menos de forma coloquial podemos ver que la conservación de la energía es algo razonable, al menos para que las cosas funcionen como tienen que funcionar.

Repercusiones del segundo principio de la termodinámica.

El segundo principio es más sutil y requiere la definición de una importante magnitud termodinámica: la entropía. La entropía es una magnitud termodinámica y estadística que nos dice cuan desordenado está nuestro sistema. Cuanto mayor es la entropía mayor es el desorden y viceversa. Ahora bien, ¿quién define lo que está ordenado y lo que no? Bueno, si dijeramos que es la entropía tendríamos una definición tautológica y por tanto poco útil: la pescadilla que se muerde la cola.

La entropía permite saber hacia qué estado evolucionará el sistema. Porque los procesos espontáneos (irreversibles) son aquellos que aumentan la entropía del universo. ¿Qué es el universo en el contexto termodinámico? Podemos decir que el universo es lo que rodea a nuestro sistema. Por tanto, el sistema aumentará la entropía de forma espontánea.

Esto permite por ejemplo establecer en qué sentido transcurre un proceso. Para poder saber si estamos viendo el proceso en el orden temporal correcto o estamos viendo un video apretando el botón de rebobinar. Sabremos cual es el sentido al que evoluciona, el futuro, cuando la entropía del universo crece.

Gracias al (o por culpa del) segundo principio sabemos que lo esperable cuando una copa está al borde de la mesa y se cae al suelo es que se rompa en pedazos y estos pedazos se esparzan de forma más o menos aleatoria. O que cuando sacamos la comida del horno, que ésta se enfríe. O que para que la nevera funcione y podamos enfriar los alimentos tengamos que enchufarla a la corriente eléctrica, haciendo un aporte de energía al sistema para que éste se la robe a lo que hay en el interior.

¿Qué pasa si no se cumple el segundo principio de la termodinámica?

Bien, pues para empezar que ya no podemos saber en qué orden suceden las cosas o discriminar si un proceso es o no posible. En este universo donde no se cumple el segundo principio la copa que está en el suelo hecha pedazos puede recomponerse espontáneamente y saltar hasta el canto de la mesa. También en este universo las cosas se enfrían o se calientan sin más. Ya no tendría gracia jugar a los LEGO porque tal vez al abrir la caja se montara él solito.

Incluso las máquinas funcionarían cada vez mejor cuanto más las usamos. Nuestro motor del coche nunca se estropearía. Cada día funcionaría mejor que el anterior. Claro que también podría pasar que el coche se descompusiera entero si hay un estado más ordenado para sus piezas. Evidentemente, no todo iba a ser tan bonito e idílico en un universo díscolo que desobedezca al segundo principio.

¿Y si se equivocan los principios de la termodinámica?

Como ya se dijo anteriormente, la termodinámica clásicamente comenzó a estudiar las máquinas térmicas. Por tanto resultó útil definir como móvil perpetuo (perpetuum mobile, ppm en adelante) como aquellas máquinas que violasen alguno de los dos principios.

Hay que resaltar que que se llame móvil perpetuo no significa que cualquier máquina capaz de repetir un movimiento indefinidamente sea un móvil perpetuo.

Así, podemos distinguir al móvil perpetuo de primera especie que es aquel que viola el primer principio y al móvil perpetuo de segunda especie al que viola la segunda. Y existen muchísimos ejemplos de gente que los ha intentado construir y todos han fracasado.

Los ppm de primera especie suelen ser máquinas que buscan funcionar sin necesidad de un aporte de energía sea del origen que sea. Y la energía libre la suelen buscar con imanes que en cierto modo permitan que el movimiento se repita. ¿Cual es la trampa? Pues que para iniciar el movimiento debes aportar una energía al sistema. Si el sistema es muy eficiente la energía no se disipa muy deprisa y el sistema puede funcionar mucho tiempo sin aporte de energía externa. Por eso un péndulo simple no es un móvil perpetuo de primera especie, porque hay que desplazarlo de la posición de equilibrio para que oscile y a partir de entonces usará la energía que tiene. Pero no crea energía.

Ejemplos de móvil perpetuo puede haber muchos. En la Wiki en inglés existe una entrada Historia de los móviles perpetuos donde hacen un registro exhaustivo de ellos.

Los móviles perpetuos de segunda especie son algo más sutiles porque son más complicados de imaginar. Existen algunos experimentos mentales muy interesantes como es el diablillo o demonio de Maxwell que pretenden violar el segundo principio.

Supongamos un recipiente con una membrana que separa dos lados diferentes y en esta membrana hay una puerta que está vigilada por el diablillo de Maxwell. Este personaje abre la puerta cuando ve que las partículas del gas que van a golpear la puerta tienen una cierta velocidad. Y si ve que son muy lentas, no la abre. ¿Qué ocurre con el paso del tiempo? Que en el lado original habrá partículas más lentas que en el lado al que ha ido dejando pasar el diablillo.

Si analizamos el sistema macroscópicamente, tenemos un gas a una cierta temperatura y al otro lado está el vacío. Al cabo del tiempo tenemos dos gases, uno más caliente que el otro. Si para más inri el lado del gas caliente actúa de foco térmico de una máquina, entonces estamos creando un móvil perpetuo al sacar energía útil para realizar trabajo de donde no la hay.

¿Cual es la trampa? Que el diablillo, si existe, consume energía para decidir cual es la partícula rápida y cual no lo es.

Como vemos, parece imposible escapar a los designios de estos dos principios sin que el universo se vuelva loco por completo. Por ese motivo a Einstein tal vez le fascinara tanto la Termodinámica y sin duda, por eso Homer Simpson reprende a Lisa cuando fabrica un móvil perpetuo con la mítica frase:

¡Lisa, en esta casa se obedecen las leyes de la Termodinámica!

Referencias:


39 Comentarios

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Barbara

Hay una novela muy divertida de David Brin titulada “El efecto práctica” que transcurre en un universo en el que no se cumplen la segunda ley de la termodinámica, por lo que las cosas mejoran su funcionamiento cuanto más se usan.

HatilausHatilaus

Yo siempre me las he enunciado así

1ª “De donde no hay, no se puede sacar”.
2ª “Todo va siempre a peor”. (en conjunto)

Es otro modo de verlo, mas “castizo”.

PPNPPN

Yo había visto las leyes de la termodinámica enunciadas como
a) no puedes ganar
b) no puedes empatar
c) no puedes salir del juego

(masomenos, aunque no me convence el órden)

MakiMaki

¿Y no sería más bien?

1- No puedes ganar
2- No puedes perder
3- No puedes dejar el juego

PD: ¿Un poco paranoico no?

PoluskusPoluskus

Genial, en cuanto regrese a casa me lo leo con lupa, a ver si se me queda algo.

HéctorHéctor

Aún así, quién no conoce a alguien (adulto) que planea o ha planeado la manera de construir una máquina de movimiento perpetuo. Yo, personalmente, conozco a dos, ¡a dos!

MiGUi

Poner a prueba a la ciencia es sano porque ayuda a mejorar los conocimientos y en cierto modo uno adopta el punto de vista de un investigador que desconoce lo que va a pasar.

Lo malo viene cuando la ciencia te refuta y que tengas la suficiente capacidad de autocrítica para darte cuenta de que algo estás haciendo mal o, simplemente, que lo que pretendes hacer no es posible :)

OntureñoOntureño

Buena entrada. Quizás, estaría bien añadir que el segundo principio, en el contexto de la Física Estadística, es algo así como “Es muy improbable que la entropía disminuya”.

Así, es perfectamente posible que un vaso roto en el suelo salte arreglado a la mesa, pero es tan improbable que habrá que esperar un tiempo mayor que la edad del Universo para tener la oportunidad de ver tan asombrosamente improbable evento.

Otra implicación del segundo principio es la de todos los problemas energéticos. Si sólo tuviésemos que luchar con el primer principio, un coche podría extraer la energía necesaria para su locomoción enfriando el aire colindante sobre la marcha, y devolver esta energía calentando por rozamiento su ambiente. Esta manera de locomoción sin combustible no va encontar del primer principio, pero sí del segundo. O mejor todavía: podríamos enfriar en verano la casa a costa de obtener energía para cocinar. Sería el final de los problemas energéticos de la humanidad.

Monzon

“Es muy improbable que la entropía disminuya”
Esa frase no es del todo correcta.
La entropía total del universo SIEMPRE aumenta.
Aunque la entropía de un sistema sí que puede disminuir si aumenta de manera equivalente la del entorno.

OntureñoOntureño

Como digo, eso es así en Termodinámica, no en Física Estadística. La entropía de un sistema aislado puede disminuir a priori aunque es tan improbable como que en una muestra de Uranio todos sus átomos inestables decidan fisionarse simultáneamente.

El segundo principio es aplicable a sistemas macroscópicos, y desde el punto de vista de la Física Estadística no es un principio en sí, sino más bien una consecuencia de las leyes de probabilidad. De hecho, nn sistemas microscópicos, donde la probabilidad de que la entropía disminuya es menor, se pueden observar casos donde la entropía de un sistema aislado disiminuye, aunque ahora no recuerdo un ejemplo concreto.

NoelilloNoelillo

Ostia, que interesante eso último Ontureño…si te acuerdas de un ejemplo en el que la entropía de un sistema disminuya a ver si lo pones, porque seria interesante saber en que condiciones tan especiales se da esa situación.

En la Teoria cuantica de Campos es donde no comprendo a veces bien la Termodinamica. Esto de los agujeros negros que rompen el vacio en + y – y que esa fuerza que los rompe aporta la fuerza para no romepr el 2º y tal me cuesta de entender porque no lo veo muy experimental… me equivoco o es mas matematico?

En lo TCC estas leyes son muy interesantes, y cuanto mas pequeño mas, porque empezais a hacer curiosos tratamientos con muchas cosas “virtuales” que os funcionan guay, por eso a ver si te acuerdas de los ejemplos, que fijo es bonito de leer.

Un saludo

JorgeJorge

Por lo que estudié de Física Estadística en la carrera, Ontureño tiene razón. =) Evidentemente igual se me escapa algo, pero la derivación de la 2ª Ley es matemática, así que me extrañaría.

Sí es técnicamente incorrecto lo de “habrá que esperar” X tiempo: _en promedio, habría que esperar_ ese tiempo para tener una buena probabilidad de presenciarlo. Pero también en promedio habría que comprar muchos de los billetes de una lotería para que te tocara, y hay a quien le toca habiéndose comprado sólo uno =)

NoelilloNoelillo

No te habia leido…
Vale es matematica , creo que me has respondido tu jajaja , siento Jorge que voy leyendo y preguntando a veces sin paciencia.

Pues entonces mas aún insisto, hay que mirar mas en lo pequeño y experimentar mas con lo pequeño a ver cuando se rompen las reglas, conseguir verlo, se que las aproximaciónes usando particuals virtuales, imaginarios, grupos, anillos y demás en las ecuaciones viene muy bien a nivel practico pero… seguro que con el tiempo hay una tercera frase bonita que se une a estas dos tan sencillas y que explica las cosas esas tan fácil como lo explican estas dos.

Aunque flipo como la matematica nos acerca a las cosas..
Gracias por tu prespuesta.

DaimonDaimon

Muy bueno, me ha gustado tu forma de resumir tantos conceptos y consecuencias de la termodinámica, a ver si no pasa mucho hasta tu próxima colaboración, un saludo.

PD: Aunque no sea para nada importante, Lisa no construye esa máquina, juraría que la construye Homer…

MalonezMalonez

Muy didáctico. Entiendo que las explicaciones de lo que le pasaría al universo si no se cumpliera la primera ley no son una demostración, sino implicaciones. Quiero decir, me imagino que podemos estar en esa piscina cóscmica donde el tapón es tan pequeño que pasarían trillones de años antes de consumirse. No?

Milú el Bárbaro

Lo de la entropía y las trampas me recordó a algo que leí, seguramente en éste blog, sobre la evolución desde ése punto de vista, dado que se “va avanzando hacia estados más ordenados” según el tiempo pasa y la selección natural hace de las suyas. Pero esto tenía una trampa… es una pena que no recuerde qué era 😀

FrancescFrancesc

Tenía dos trampas:
1.- La termodinámica habla de sistemas aislados. La Tierra no lo es, ya que el Sol aporta energía. Simplificando, el conjunto Sol-Tierra gana entropía aunque en una pequeña parte no aislada del sistema -los bichos vivos- esa entropía disminuya. Esto es perfectamente posible.
2.- Es el mismo caso que el del diablillo de Maxwell pero aquí el que ejerce de diablillo es la SN.

Imagina ese experimento que hicimos todos en el colegio: un vaso de agua en el que pones piedras, arcilla y arena de diferentes densidades y lo remueves. Si lo dejas reposar un tiempo el sistema se ha ordenado en capas según el material: ha perdido entropía. Por qué? No está aislado (ha habido un intecambio de energía con su entorno) y hay una fuerza externa actuando: la gravedad.

P.D.: este último ejemplo me ha dado una idea para violar el primer principio pero claro, fracasará como todas las anteriores.
P.D.II: ¿El segundo principio es matemático pero el primero “solo” es experimental, verdad?

NoelilloNoelillo

Jajajja, que bueno el ejemplo de la evolucion y el aumento del “orden” en los bichos jajajaj… tiene trampa si, pero esta mu chulo como explicacón

Chuso

Esos enunciados del tipo “¿Qué pasaría sí…?” me recuerdan al libro “El señor Tompkins en el País de las Maravillas” de George Gamow que leí por recomendación de mi profesor de física de BUP y me gustó mucho. Explica de forma sencilla y asequible los fundamentos de la física cuántica y relativista a base de entretenidos cuentos en los que se habla de universos imaginarios en los que algunas constantes físicas como la velocidad de la luz y la constante de Planck tienen valores “más cercanos”.
Este libro fue publicado tanto por separado como conjuntamente con “La investigación del átomo” bajo el nombre “El breviario del señor Tompkins”, pero también se puede leer online en http://www.hverdugo.cl/libros/el_pai...avillas.pdf

ZarcoZarco

Muy bueno el artículo, sólo un par de cosillas que comentar.
La definición de entropía como “nivel de desorden” es un poco chabacana, aunque muy correcta si se quiere explicar a grandes rasgos.
Sobre los procesos espontáneos, puede haber y hay procesos espontáneos en los que la entropía disminuye. Un proceso espontáneo se define como aquel en el que la Energía libre de Gibbs disminuye, no la entropía. Cierto es que normalemente, cuando aumenta la entropía, disminuye la energía libre de Gibbs, pero no ocurre siempre (AG=AH-TAS (A significa variación(delta)))
Ante todo, repito, un gran artículo.

JaviJavi

Totalmente de acuerdo en lo de la definición. Sería mucho mejor una definición de la entropía hablando del número de microestados. Usando la ecuación de Bolzman por ejemplo.
Existen varios casos donde la entropía aumenta cuando el sistema está más ordenado. Sirva como ejemplo la caja con naranjas, con un número suficiente de naranjas.

GabrielGabriel

Excelente tema, a mi también me fascina la termodinámica aunque no he tenido la oportunidad de estudiarla mucho, yo siempre trato de recordar las leyes así:

1.- La energía no se crea ni se destruye tan solo se transforma.

2.- El universo tiende al máximo de entropía mínimo de energía.

3.- Es imposible llegar al 0 absoluto ó 0K.

Desde mi punto de vista la 2da ley es la más “inquietante” por todo aquello de la muerte térmica.

Y con la 3ra ley siempre recuerdo la “ejecución aurora” de Camus de acuario jajaja XD

hugo luchettihugo luchetti

Cuanto màs usamos algo, màs memoria se acumula o “màs conocido por màs personas se hace”, es decir, màs formatea el campo… Màs relaciones tiene, màs engramas neuronales, màs acostumbramiento, hàbito, extensiòn… Circuito cerebral, ADN, evoluciòn…

JaviJavi

Primero, felicitarte por la claridad del artículo.
Tengo un par de preguntas.
Me parece recordar que también había móviles perpetuos de tercera especie. Que son aquellos que se mantienen en movimiento porque no existen perdidas de energía (primera ley de Newton). De esta manera un objeto moviéndose en el espacio se comportaría casi como un móvil perpetuo de tercera especie.
¿Os suena algo de esto?
Y la otra es que la entropía en el universo siempre aumenta porque consideramos el universo como un sistema aislado. ¿Es posible que estemos equivocados y no sea un sistema aislado? Quizás algún tipo de interacción con otro universo en un sistema de multiversos?

DaniDani

Fantástico artículo, enhorabuena de verdad, está genial aprender o recordar cosas de esta forma.
El primer principio ya lo ha enunciado José Mota de otra manera:
– Las gallinas que entran por las que salen, jeje, perdón por la broma…

hugo luchetti

LA SEGUNDA LEY Y LOS SUEÑOS DE LOS MAMIFEROS:

Si lo que consideramos imposible fuera una verdad fìsica real, el hombre no se hubiera producido… Pero fue tal la capacidad de avance de la naturaleza que probò, buscò, combinò, resonò, sintetizò y ordenò sistemas, hasta lograr, desde una nube de gas, producir estrellas que le permitieran desarrollar mamìferos… En los mamìferos, la neguentropìa se produce a travès de las ondas profundas del sueño durante el cual se escanean las capas del tejido cerebral y se incorpora la informaciòn “dìa a dìa”. Y en ese estado se liga todo con todo.

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Este es un tema muy interesante me ha sabido a poco pero ya sabeis si lo bueno es breve es dos veces bueno. Animino y seguir con este blog tan interesante.

jesusjesus

tengo una duda:
puede la termodinámica explicar como es que un imán no se cae de la nevera?

es decir, entiendo que la termodinámica estudia los fenómenos en donde hay variación de temperatura y variación de movimiento.

pero volviendo al planteamiento, no es que el imán esté adherido por pegamento, donde pudiera decirse que estaría en equilibrio dinámico, estático y térmico. si se estudia al imán mediante la definición física de trabajo (la integral de la fuerza respecto del desplazamiento) tampoco realiza trabajo porque no hay desplazamiento.

lo que si puede decirse es que existe una fuerza que hace que el imán permanezca adherido a la nevera, y esta fuerza es mayor o igual al peso del imán.

entonces no estaría actuando el imán como una fuente de energía? porque ciertamente se requiere de energía para realizar la acción de que el imán no caiga.

por último les dejo esta pregunta a ver si les causa inquietud:

si se coloca un imán de cierto peso a la nevera, ¿cuanto tiempo pasaría para que este se canse y caiga al suelo? cuanta energía se ha debido emplear para sostener el peso del imán durante todo ese tiempo? y de donde vino toda esa energía?

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