La Entropía

La entropía es un contador de estados en los que probablemente puede encontrarse un sistema, y esto es estadística. Si cogemos N elementos y sus combinaciones posibles en el triángulo de Pascal, vemos que hay sólo una probabilidad de que estén ordenados, mientras es máximo el número de combinaciones donde están más repartidos. Y este número será mayor a medida que aumenta el número N de elementos. Por lo tanto la probabilidad mayor será la del desorden, mientras que la del orden que es sólo una. Si ponemos en una caja 1 gramo de hidrógeno (el número de átomos será de 1023 , el de Avogrado). Así que el número de combinaciones donde están desordenados los átomos es enorme, frente al ordenado que es mínimo (aunque no haya ninguna ley que lo impida). Luego el universo prefiere el desorden al orden por pura probabilidad.

La entropía es muy importante en muchas áreas, desde la computación donde los únicos procesos que aumentan la entropía son el borrado de información, en la mecánica cuántica se sabe que el entrelazamiento cuántico tiene que ver con la información compartida entre dos sistemas, de manera que se mide como una entropía, los agujeros negros son grandes generadores de entropía y campo gravitatorio, hay teorías que relacionan el campo gravitatorio con la energía del entrelazamiento.

En cualquier sistema aislado la entropía siempre crece por pura probabilidad, porque el estado ordenado es el menos probable, frente al increible número de probabilidades de desorden. Siempre es más fácil destruir que construir, olvidar que recordar, hacer que desahacer. Es la única ley física que permite distinguir el pasado del futuro, donde provenimos de un orden, antes del Big-Bang, hacia una expansión del universo hasta su fin en un caos total.

La energía es la capacidad para realizar un trabajo, es importante entender cómo se comporta. La termodinámica se basa en 4 principios, a partir de los cuales se han deducido las propiedades de la materia, y el fín último del universo:

  1. El principio cero dice que tiene sentido la temperatura. Si dos sistemas están en equilibrio térmico independientemente con un tercer sistema, deben estar en equilibrio térmico entre sí.
  2. El principio primero es la conservación de la energía. La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. Ni podemos sacar energía de la nada, ni tampoco podemos hacerla desaparecer. La cantidad de energía del universo nunca cambia. Un sistema aislado puede intercambiar energía con su entorno en forma de trabajo y de calor, acumulando energía en forma de energía interna. Este principio es una generalización del principio de conservación de la energía mecánica.
  3. El segundo principio es el de la entropía. Cualquier proceso termodinámico aumenta la energía del universo. La energía siempre tiende a dispersarse. No es posible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. No es probable que el agua de un recipiente se caliente espontaneamente más que la temperatura de la habitación donde se encuentra. No es posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y la conversión completa de este calor en trabajo.
  4. El tercer principio dice que existe una temperatura tan baja que nunca se puede alcanzar. La entropía de un sistema se aproxima a un valor constante, así como la temperatura se aproxima al cero absoluto. Con la excepción de los sólidos no cristalinos (vidrio) la entropía del sistema en el cero absoluto es típicamente cercano al cero, y es igual al logaritmo de la multiplicidad de los estados cuánticos fundamentales.

Podemos preguntarnos cómo responder al estado de orden (entropía) de un sistema, y en la medida que esté más desordenado es más difícil de describir. Podemos suponer que todo está ordenado, pero estadísticamente es muy poco probable en nuestro universo.
De estos dos principios de la termodinámica, podemos decir que :

2) La ley de la conservación de la energía. La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Si metiéramos el sistema solar en una caja, la energía se mantendría constante en el tiempo, pero la entropía aumentaría a pesar de que el sistema estuviese aislado. Y la probabilidad de regresar al estado inicial es prácticamente nula.

3) Tendencia natural de los sistemas al incremento de la entropía (desorden). La entropía siempre va aumentando, hasta que para de crecer, y disminuye a medida que el sistema tienda al punto de equilibrio con su alrededor. Pero en el mundo real el equilibrio es muy difícil de encontrar.

Experimentalmente descubrieron que había una magnitud S que crecía siempre y que existía una relación (S ∼Q/T) directamente con el calor Q que entraba en el sistema e inversamente con la temperatura T. De forma que Q=T ΔS, se interpreta como la energía,  que será mayor al aumentar la temperatura y el incremento de la entropía. Se observó que una máquina real después de hacer el trabajo, la entropía resultante era mayor que la inicial (no se cumple lo de la máquina ideal de Carnot). Es decir la máquina real creaba entropía de la nada. Dicho de otra manera, la entropía es la parte de la energía que no se puede utilizar para producir trabajo, se dispersa, porque ningún proceso es 100% eficiente, no toda la energía que invertimos se transforma en trabajo por las colisiones o roces de las moléculas al pasar del estado inicial al final.

Lo mismo sucede con las “máquinas de la naturaleza”, cuando del cosmos fluye calor, también fluye entropía a partir de él. Todas las “máquinas” obtienen calor (energía) de alguna sitio, hacen su “trábajo” con parte de él y liberan el calor restante. Este segundo principio fue constatado antes experimentalmente (e interpretado posteriormente por Ludwing Boltzmann, muy atacado académicamente y terminó por suicidarse en 1906, y en su tumba se acabó grabando la fórmula de la entropía S=K log W, donde S es la entropía, k es la constante de Boltzmann, W es el número de estados del sistema, log W es el número de preguntas que necesito para especificar el sistema).

El número de configuraciones de un estado siempre es más probable que las partículas estén siempre más desordenadas,  y aumenta más a medida que haya más partículas. Es un problema básico de combinatoria, sólo hay un estado donde todas las partículas estén ordenadas (probabilidad prácticamente nula), y para sólo unos cientos de partículas hay  miles de billones de posibilidades donde están repartidas por el espacio. No hay ninguna ley que impida que las partículas se ordenen, simplemente es muy poco probable. Es más probable el desorden que el orden en la naturaleza.

 

El espacio mismo desde el Big Bang partió de un estado ordenado a una expansión indefinida y continúa hasta nuestros días. Un cuerpo caliente en contacto con otro frío, tenderá a equilibrar sus temperaturas, porque la energía de calor tiende a dispersarse. Para hacer que no aumente o disminuya la entropía se necesita trabajo para impedirlo, pero aumentando la entropía en otro lugar del universo. Por eso el nivel de entropía del universo sube sin parar, porque para mantener el orden en algunos sistemas o seres vivos, es necesario aumentar la entropía del resto.

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Cuando la energía está en equilibrio no podemos hacer ningún trabajo, y para desequilibrarla necesitamos más energía. Si la energía del universo no para de crecer, llegará un momento en que todo estará en equilibrio y todo se congelará hasta el final de los tiempos (muerte térmica). La buena noticia es que esto (de suceder) sería dentro de 10100 años. Por tanto es siempre más fácil deshacer que hacer, destruir que construir, recordar que olvidar. No hay ninguna ley que impida que el tiempo vaya hacia adelante o hacia atrás, pero es altamente improbable debido a la entropía. Esta ley física permite distinguir el pasado del futuro, porque la dirección del tiempo va en la dirección del aumento de la entropía. 

 

REFERENCIAS.
https://es.wikipedia.org/wiki/Principios_de_la_termodinámica
http://www.youtube.com/watch?v=fFXviqhzYvY
http://www.youtube.com/watch?v=LetmPf0XLBk
http://www.youtube.com/watch?v=-xMLdyRZC4g
http://www.youtube.com/watch?v=A9ouH7fWj6Y
http://www.youtube.com/watch?v=2mjjv1DESrU

 

 

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