Un poco sobre termodinámica

Termodinámica

Empecemos simple. Termodinámica proviene de las raíces griegas therme y dynamis, que significan calor y fuerza o potencia. Y así nació la termodinámica en el siglo XIX, estudiando los flujos de calor, el trabajo mecánico y sus relaciones. Básicamente, esto era usado (y este es el motivo del nacimiento de la termodinámica) para mejorar las máquinas que existían entonces, muchas de ellas máquinas de vapor. Desde entonces, su aplicación ha ido creciendo. Puede explicar sistemas tales como la Tierra, hasta procesos como la descomposición de una manzana dejada a la intemperie. Su esencia es algo difusa; artísticamente simétrica. Mientras sirve para estudiar algo macroscópico, sus bases son microscópicas…

Y es tal vez la rama de la ciencia más poderosa actualmente…

Leyes inquebrantables

La termodinámica nos ha permitido descubrir leyes que, a diferencia de las humanas, no pueden ser violadas. Se cumplen, sí o sí.  Son tres y son tal vez las más comprobadas en la historia de la ciencia. Estas son:

Primera ley de la termodinámica: La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Segunda ley de la termodinámica: La cantidad de entropía en el Universo tiende a incrementar con el tiempo.

Tercera ley de la termodinámica: El cero absoluto no puede alcanzarse mediante un número finito de procesos.

Energía, trabajo, calor

La energía, el trabajo y el calor son conceptos clave en termodinámica. La energía es la capacidad de producir cambios o realizar trabajo. Éste puede consistir en subir tres metros de escaleras, impulsar un tren a través de los Alpes o mandar un cohete a Marte. Si bien las modalidades de trabajo son ilimitadas, sólo existen unas pocas clases de energía: cinética, potencial gravitatoria, magnética, eléctrica, química y nuclear. Una clase de energía puede transformarse en otra. La materia misma, como establece la ecuación E=mc^2, constituye un vasto reservorio potencial de energía, aunque la vida no ha adquirido la capacidad de usarla (salvo en las bombas y centrales nucleares). La primera ley de la termodinámica sugiere que la energía cambia sutilmente de forma, pero nunca desaparece del todo.

El calor y el trabajo son procesos o modos de transferencia de energía. Una partícula puede poseer energía en virtud de su posición (potencial) o de su movimiento (cinética). El trabajo es la transferencia de energía en una acción coherente. El calor  o, mejor, flujo calorífico, es la transferencia de energía a través de gradientes de temperatura. Así, a diferencia de un saco de 1 kg. de harina o un montón de carbón que puede quemarse, comprarse o venderse, el flujo calorífico y el trabajo son procesos, no cosas.

Cuando se realiza trabajo sobre un sistema, la transferencia de energía se efectúa a través de un movimiento coherente. Considérese una pelota de golf debidamente golpeada, que vuela ochenta metros hacia el agujero. Todos los átomos y moléculas de la pelota viajan juntos: su movimiento es coherente. La cabeza del palo transfiere energía cinética a la bola, y ésta sale disparada.

Cuando calentamos un sistema ocurre justo lo contrario. A medida que se transfiere energía de un cuerpo a otro por calentamiento, se hace más caótico el movimiento térmico de las moléculas del segundo cuerpo.

"¡En esta casa se obedecen las leyes de la termodinámica!"

La energía continúa almacenada de forma potencial y cinética, pero ahora la posición y el movimiento de las partículas son más difíciles de terminar; no guardan una coherencia.

Cada una de las formas básicas de energía puede ser convertida en cualquiera de las otras mediante procesos simples. Consideremos las tres formas de energía puestas en juego en la oscilación de un péndulo. En el punto más alto de la oscilación, el péndulo tiene la máxima energía potencial gravitatoria. Cuando se suelta, esta energía potencial gravitatoria comienza a convertirse en energía cinética, y el péndulo desciende. En el punto más bajo de la oscilación, la masa del péndulo alcanza su máxima energía cinética (momento de velocidad máxima y cero aceleración) y su mínima energía potencial. Cuando al fin se detiene, lo hace en un estado de mínima energía cinética y mínima energía potencial. Se instaura en un equilibrio termodinámico causado por la segunda ley: la fricción desgasta el sistema y su energía se pierde en el entorno, disipada en forma de calor. La resistencia del aire o los engranajes del péndulo, generan minúsculos flujos de calor hacia el medio circundante. La energía no se pierde, se transforma solamente en calor. Parte de este calor puede volver a usarse para propósitos útiles, pero el rasgo termodinámico más importante del calor es que se trata de energía en su forma menos utilizable. Aún así, no deja de ser energía.

El hecho de que la energía se conserve pese a cambiar de forma se conoce como “primera ley de la termodinámica” o “ley de la conservación de la energía”.

Entropía

Escultura dedicada a la entropía en los jardines
centrales de la Universidad de Monterrey, México.

En 1908, la termodinámica dio un paso de gigante con la obra del matemático alemán Constantin Carathéodory, quien demostró que el “incremento de entropía” no es tanto el enunciado general de la segunda ley como su observación más fundamental: que todos los fenómenos naturales son irreversibles.

Los procesos irreversibles bloquean los estados previos. El pasado se hace inaccesible. Las puertas se cierran. Si pinchamos un globo inflado hasta cierta presión, el estado presurizado particular deja de ser accesible. Las torres del World Trade Center podrían reconstruirse, pero ya no serían las mismas. Hay un punto de no retorno.

El matemático Don Mikulecky, profesor emérito de la Universidad de Virginia, ha mostrado que los experimentos de Joule pueden usarse para verificar la tesis de Carathéodory. Recuérdese el experimento que James Prescott Joule concibió con un recipiente adiabático (aislado), en cuyo interior dispuso unas palas sumergidas en agua que se accionaban mediante el trabajo mecánico aportado desde afuera por una manivela sin rozamiento. La temperatura del recipiente aumentaba como consecuencia de la fricción que el movimiento de las palas generaba en el agua. Con un termómetro de alta precisión, Joule fue capaz de medir el equivalente mecánico del calor.

Sin embargo, como señala Mikulecky, la investigación de Joule ilustra algo más que la conservación de la energía. El principio fundamental que ilustra este experimento es el de la irreversibilidad: podemos elevar la temperatura de un fluido a base de agitarlo, pero no hay manera de recuperar la energía mecánica invertida en la agitación a partir del calor generado.

Mikulecky se apoyó en la unidireccionalidad del experimento de las palas de Joule para elaborar una demostración matemática rigurosa de la interpretación de la segunda ley de Carathéodory. Convertir trabajo en calor es un camino sin retorno. No podemos aprovechar ese calor para volver a hacer girar las palas y la manivela y recuperar así el trabajo invertido en el sistema.

Desde la óptica de Carathéodory, el experimento de Joule revela otro principio termodinámico de gran importancia: la diferencia entre la memoria cíclica de los sistemas complejos y el “olvido” de las condiciones iniciales por parte de los sistemas aislados. La conversión del movimiento de las palas en calor muestra la insulsez hacia la que tienden los sistemas de la termodinámica clásica. Al encaminarse hacia el equilibrio, desdibujan las trayectorias por las que han llegado hasta allí; es como si borraran sus huellas. Por ejemplo, el mismo incremento de energía interna producido por las palas giratorias podría conseguirse metiendo el recipiente en un baño de agua tibia, una vez despojado de su estuche aislante. Esto muestra que la transferencia de calor es un proceso “independiente de la trayectoria”.

Mukulecky señala que si, en ausencia de Joule, un colega decidiera quitar el estuche aislante y calentar el recipiente con un mechero Bunsen, cuando Joule regresara al laboratorio ni él ni ningún otro experimentador sería capaz de determinar la trayectoria seguida por el sistema para pasar de un estado más frío a otro más caliente. Ni un Sherlock Holmes termodinámico sería capaz de averiguar qué combinación de calor y trabajo se había empleado.

Ésta es la Termodinámica. Al menos un poco sobre ella. Es una rama de la ciencia fascinante que tiene más respuestas de las que creemos…

Fuente: Termodinámica de la vida, Eric D. Schneider y Dorion Sagan.