¡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:
- Principio de conservación de la energía: La energía ni se crea ni se destruye.
- 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:
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