Arieh Ben-Naim - La entropía desvelada

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. Además, 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.

Arieh Ben-Naim

El mito de la segunda ley de la termodinámica y el sentido común

Metatemas - 118

ePub r1.3

broncolin 30.06.15

Título original: Entropy demystified

Arieh Ben-Naim, 2007

Traducción: Ambrosio García Leal

Ilustraciones: David Pablo

Diseño de cubierta: broncolin

Editor digital: broncolin

ePub base r1.2

Quiero expresar mi más sincero agradecimiento y aprecio a todos los que se han prestado a leer partes o la totalidad del manuscrito y me han ofrecido sus comentarios y críticas. En primer lugar, quiero dar las gracias a mis amigos y colegas Azriel Levy y Andrés Santos por su meticulosa lectura y examen del manuscrito entero. Me han ahorrado errores embarazosos que yo no había detectado o no podía detectar. Gracias también a Shalom Baer, Jacob Bekenstein, Art Henn, Jeffrey Gordon, Ken Harris, Marco Pretti, Samuel Sattath y Nico van der Vegt, quienes leyeron partes del manuscrito y me hicieron comentarios valiosos. Por último, quiero expresar mi sincero agradecimiento a mi compañera Ruby por su paciencia a la hora de pelearse con mi ilegible letra y corregir y recorregir el manuscrito. Sin su amable ayuda este libro no habría visto la luz de la publicación. El proyecto tuvo un largo periodo de incubación. La redacción del libro comenzó en Burgos y se completó en La Jolla, California.

Arieh Ben-Naim Departamento de Química Física Universidad Hebrea de Jerusalén, Israel.

ARIEH BEN-NAIM. Nació en 1934 en Jerusalén. Es 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).

[1] Éste fue otro tema fascinante al que acabé dedicando mi tesis doctoral.

[2] En la página de la dedicatoria se muestra una imagen.

[3] Greene, B. (1999, 2004).

[4] Greene, B. (2004), pág. 12.

[5] En mecánica estadística estos términos corresponderían a microestados y macroestados. En la mayor parte del libro tratamos con dados, y los dados son objetos macroscópicos. Por eso he preferido los términos «específico» e «inespecífico» en vez de «microestado» y «macroestado».

[6] Morowitz (1992). pág. 69.

[7] Véase Ben-Naim (2007).

[8] Greene. B. (2004).

[9] Por formulación «no atomista» se entiende la discusión de la segunda ley sin ninguna referencia a la constitución atómica de la materia. A veces también se dice que las formulaciones de esta clase contemplan la materia como un continuo. Lo importante aquí es que tales formulaciones emplean sólo magnitudes macroscópicamente observables o medibles, sin referencia alguna a la constitución atómica de la materia. Esto no implica que las formulaciones no atomistas no valgan para la materia particulada. Como luego veremos, si la materia fuera en verdad continua y no estuviera constituida por átomos, la segunda ley no existiría.

[10] Esta es la opinión mayoritaria, aunque algunos autores citan a Carnot como el «inventor» o «descubridor» de la segunda ley.

[11] Técnicamente, se dice que los procesos son cuasiestáticos. A veces también se habla de procesos reversibles, aunque este término se aplica también a otro tipo de procesos donde la entropía no cambia. Por eso es más apropiado y preferible hablar de procesos cuasiestáticos.

[12] «Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y las máquinas ajustadas para desarrollar esta potencia», por Sadi Carnot (1824).

[13] La segunda ley también puede formularse como la expansión espontánea de un gas. Como puede demostrarse, ésta y otras formulaciones también son equivalentes a las de Clausius y Kelvin.

[14] Citado por Cooper (1968).

[15] Por «tener sentido» se entiende aquí que se trata de una experiencia corriente, y no necesariamente una consecuencia lógica.

[16] «Siempre» en el dominio de los fenómenos que eran objeto de estudio en la época, lo que ahora conocemos como mecánica clásica.

[17] Para una fascinante mirada a la biografía de Boltzmann, véase Broda (1983), Lindley (2001) y Cercignani (2003).

[18] Por ejemplo, Loschmidt escribió en 1876 que la segunda ley no puede ser resultado de un principio puramente mecánico.

[19] Como ha señalado Greene (2004), hay que hacer notar que la «simetría temporal» no quiere decir que el tiempo mismo se invierta o dé marcha atrás, sino que se refiere a si los sucesos que tienen lugar en el tiempo con un orden temporal particular también pueden ocurrir en el orden inverso. Una expresión más adecuada podría ser «inversión de sucesos» o «inversión de procesos».

[20] En el marco de la mecánica clásica.

[21] Como veremos en los capítulos 7 y 8, el carácter no absoluto que hemos admitido de la formulación atomista de la segunda ley es de hecho más absoluto que el de la formulación no atomista. Sobre este asunto, Poincaré comentó: «... para ver la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente, no será necesario tener la visión aguda, la inteligencia y la destreza del demonio de Maxwell; bastará con un poco de paciencia» (citado por Leff y Rex, 1990).

[22] Es interesante señalar que los fundadores de la teoría cinética de los gases, como Maxwell, Clausius y Boltzmann, nunca publicaron ninguna explicación del movimiento browniano.

[23] Curiosamente, Einstein, quien elogiaba a Boltzmann por su interpretación probabilística de la entropía, nunca aceptó la interpretación probabilística de la mecánica cuántica.