Entropia
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ENTROPIA
La energía está distribuida por todo el universo y como todo en la
naturaleza busca la estabilidad. La naturaleza tiende a redistribuir la
energía y el camino del caos, es decir la casi nada, entropía. Entonces
podemos decir que la entropía es la medida del grado del caos de un
sistema. Es el segundo principio de la termodinámica que establece un
proceso para la destrucción, existiendo continuamente en el universo
una tendencia hacia el caos o desorden, la segunda ley, es una
desigualdad, nos dice que una magnitud diferente, conocida como la
entropía, tiene un valor mayor (o al menos no menor) después de que
haya acontecido un proceso una vez ocurrido el suceso. Puede decirse
que la entropía es una medida del grado de desorden de un sistema
físico. Si se considera que el universo es un sistema cerrado, y, en
consecuencia, su entropía, aumenta con el tiempo de acuerdo con la
segunda ley de la termodinámica. Se forman galaxias y arden estrellas,
vertiendo así al espacio fotones que se suman al gas de fotones previo.
Esos procesos aumentan la entropía total del universo. Pero lo notable
es que el aumento de la entropía total del universo, debido a todos esos
procesos que se han producido a lo largo de la vida de todas las
galaxias y estrellas, es sólo una diezmilésima de la entropía que existe
ya en los fotones de fondo, una fracción mínima. La entropía total del
universo se halla hoy, a todos los efectos y propósitos, en el gas de
fotones y se ha mantenido constante desde la gran explosión. La
entropía es básicamente una cantidad conservada en nuestro universo.
Los sistemas muy desordenados poseen una entropía alta; los sistemas
sumamente ordenados tienen una entropía baja. Además, esta ley en su
enunciado nos formula que la entropía de cualquier sistema físico
aislado sólo puede aumentar con el tiempo. Lo último, constituye una
de las piedras angulares de la mecánica estadística.
Hablando en términos muy sintetizados y sencillos, podemos decir que
la entropía es una medida de la «aleatoriedad» para un sistema dado.
Por ejemplo, nuestro propio cuerpo en movimiento a través del aire
empieza con su energía con una conformación organizada (su energía
cinética de movimiento), pero cuando se enfrenta con la resistencia del
aire se frena lo que ocasiona que esa energía se reparta entre los
movimientos aleatorios de las partículas del aire y aquellas individuales
del propio cuerpo. Lo último, tiene como consecuencia un «incremento»
muy específico de la aleatoriedad; más específicamente, la entropía ha
aumentado.
Definiendo caos en la termodinámica es la nada y significa la máxima
indiferenciación de un sistema. Entendiéndose que el universo en un
sistema cerrado de termodinámica la entropía es una magnitud física
que mide la parte de la energía que no se puede utilizar para realizar
un trabajo. Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre
aumentará la entropía. La entropía puede crearse pero no destruirse.
Podemos decir entonces que el Universo es un sistema aislado y su
entropía crece constantemente con el tiempo. Esto marca un sentido a
la evolución del mundo físico, que llamamos "Principio de evolución".
Cuando la entropía sea máxima en el universo, exista un equilibrio
entre todas las temperaturas y presiones, llegará la muerte térmica del
Universo, enunciado por Clausius. Toda la energía se encontrará en
forma de calor y no podrán darse transformaciones energéticas la
temperatura es tan baja que hace la vida imposible. Toda la energía
tenderá a acabar en la forma más degradada, la energía térmica; en un
estado de total equilibrio termodinámico y a una temperatura cercana
al cero absoluto, que impedirán cualquier posibilidad de extracción de
energía útil. Será el desorden más absoluto (la máxima entropía) del
que ya no se podrá extraer orden (baja entropía). En esta "muerte
térmica" del universo, el factor más importante lo marcará la segunda
ley de la termodinámica, que afirma que cualquier proceso crea un
incremento neto en la cantidad de desorden o entropía del universo.
Esta ley que rige para el universo entero es una parte cotidiana de
nuestras vidas.
La noción de entropía fue introducida por primera vez por Clausius en
1865, pero fue el físico austríaco Ludwing Boltzmann quien, en 1877, el
que clarificó los conceptos de entropía hasta donde se puede. De las
formulaciones efectuadas por Boltzmann es donde se obtiene cómo se
puede cuantificar la entropía que, en el fondo viene a ser cómo medir
un desorden. La solución básica la aporta la teoría de las
probabilidades, el estudio matemático del azar. Retornemos aquí al gas
para proceder a cómo podemos explicarlo. Consideremos que las
configuraciones improbables de todas las partículas de gas se las
consideran «ordenadas» y se les asigna una entropía baja, mientras que
las configuraciones probables son las más «desordenadas» y tienen
entropía elevada. Estas configuraciones desordenadas tienen elevada
entropía. Expresado en términos matemáticos nos resulta de la
siguiente manera: la entropía (S) de un sistema aislado está ligada a la
probabilidad (ρ) de su estado actual por la relación S – κ log ρ + C,
siendo κ y C constantes. La entropía es, pues, proporcional al logaritmo
de la probabilidad del estado en el que sistema se encuentra, de donde
resulta que la variedad de la entropía entre dos estados sucesivos, es
proporcional a la diferencia logarítmica de las probabilidades de estos
dos estados. Como esa diferencia es siempre positiva, dado que la
entropía es una función creciente, se sigue que la probabilidad del
estado posterior debe ser siempre mayor que la del estado anterior.
Cuando un gas como el que estamos considerando alcanza un estado de
máxima entropía (es decir, las partículas están totalmente mezcladas y
el desorden es máximo) se dice que se halla en un «estado de
equilibrio». Nada se puede hacer para aumentar su desorden; en
consecuencia, está en equilibrio, porque ha alcanzado la estabilidad del
desorden completo. Hablando en sentido estricto, deberíamos
denominarlo estado de «equilibrio térmico», indicando con ello que la
temperatura de todo el gas es uniforme.
Por su parte, los gases en estado de equilibrio térmico tienen varias
propiedades importantes que pueden probarse rigurosamente mediante
la matemática de la mecánica estadística.
Es fácil calcular la entropía de un gas de partículas en equilibrio; según
la mecánica estadística es proporcional al número total de partículas.
Cuantas más partículas hay en el gas, mayor puede ser el desorden que
se produzca en él y mayor su entropía. Si un gas está formado por
partículas A y B, podríamos considerar la entropía de las partículas A y
la de las partículas B independientemente, porque el número de
partículas A y B puede diferir. Se habla entonces de una «entropía
específica», que es la relación de la entropía total con la de las
partículas A o B.
Hemos hablado de un gas en equilibrio que ocupa un volumen
determinado y tiene una temperatura determinada. Supongamos que
ampliamos el volumen despacio en comparación con el tiempo medio de
colisión entre partículas. Esto implica que el gas siempre permanece en
equilibrio térmico, porque las partículas tienen tiempo suficiente para
transferirse energía unas a otras durante la expansión. A esta
expansión lenta se le denomina «expansión adiabática», y puede
demostrarse que durante ella la entropía del gas permanece constante
Aunque hoy todavía tenemos que considerar que la materia domina a la
radiación, hasta que no logremos desentrañar el misterio de la energía
oscura, por ello, solo podemos decir que la historia es muy distinta si
comparamos sus entropías. La entropía total de un gas en equilibrio es
proporcional al número total de sus partículas. Comparemos la entropía
de la materia (básicamente el número total de partículas nucleares de
que las galaxias se componen) con la entropía fotónica (proporcional al
número total de fotones). En el universo actual la densidad numérica de
las partículas nucleares (protones y neutrones) es de más o menos una
partícula nuclear por metro cúbico. (Se trata de una cifra de discusión
contingente, pero ello no afecta muy significativamente nuestra
explicación, ya que también podrían ser diez). El número de fotones que
hay por metro cúbico es de unos 400 millones, cifra que viene dada por
la temperatura actual del universo (3° K). Así que la relación entre la
entropía fotónica y la de la materia nuclear, independiente del volumen,
lo que se denomina la entropía específica, es de 400 millones (con
incertidumbres de un factor de aproximadamente 10). Por tanto la
entropía del universo está hoy casi toda en el gas radiante de fotones y
no en la materia.
El valor de la entropía específica tiene muchísima importancia porque
determina la naturaleza del universo. Si la entropía específica fuese
cientos de veces mayor de lo que es, podría demostrarse que el
universo primitivo habría sido demasiado caliente para formar galaxias
y, por tanto, no existirían las estrellas hoy. Por otra parte, si la entropía
específica fuese mucho menor de lo que es hoy, el hidrógeno se habría
convertido casi todo en helio en el Big Bang. Podrían existir las
estrellas sin duda, pero las estrellas que sólo se componen de helio son
poco luminosas. De lo que se deduce que si la entropía específica
hubiese tenido un valor muy distinto del actual, el universo sería
sumamente distinto y probablemente hostil al desarrollo de la vida.
El universo es un sistema cerrado, y, en consecuencia, su entropía, (la
que vemos está sobre todo en el gas de fotones) aumenta con el tiempo
de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Se forman galaxias
y arden estrellas, vertiendo así al espacio fotones que se suman al gas
de fotones previo. Esos procesos aumentan la entropía total del
universo. Pero lo notable es que el aumento de la entropía total del
universo, debido a todos esos procesos que se han producido a lo largo
de la vida de todas las galaxias y estrellas, es sólo una diezmilésima de
la entropía que existe ya en los fotones de fondo, una fracción mínima.
La entropía total del universo se halla hoy, a todos los efectos y
propósitos, en el gas de fotones (si la radiación de la energía oscura no
nos dice otra cosa) y se ha mantenido constante desde la gran
explosión. La entropía es básicamente una cantidad conservada en
nuestro universo.
Aunque la «muerte calórica» del universo no es el problema que fue en
tiempos, los nuevos conocimientos adquiridos crean problemas
distintos. Como en una expansión adiabática se conserva la entropía
total, la entropía del universo ha sido siempre enorme. Si esta entropía
específica fuese muy distinta, también serla muy distinto hoy el
universo.
La idea de "muerte entrópica" surge si se admite que el universo es
un sistema termodinámicamente cerrado. Esta admisión no era, ni es
fácilmente justificable en términos teóricos y tampoco existían indicios
experimentales que la respaldaran. No obstante, la noción de "muerte
entrópica" se popularizó rápidamente y se transformó en casi un dogma
que, partiendo de las cosmologías "científicas" del positivismo, llegó a
nuestros días. Frente a extrapolaciones que no tienen nada de
científico, es lícito preguntarse cuáles son las bases pre-científicas que
dan origen a teorías como la de la "muerte entrópica" o similares que la
fantasía de los cosmólogos nos propone continuamente. Vale la pena
recordar aquí la interpretación que O. Spengler da en El ocaso de
occidente de la "muerte entrópica" formulada por von Clausius y otros
eminentes químicos alemanes. Para Spengler esta teoría no era más
que la re proposición en ámbito científico de la antigua
cosmología germánica de la Caída de los Dioses (Goetterdaemmerung)
y del incendio del Walhalla, con los que se concluía trágicamente la vida
del universo, cosmología que en aquel entonces se había puesto
nuevamente de moda con las óperas de Wagner. Una base mitológica
tan antigua e "irracional" se había insinuado subrepticiamente en una
teoría científica.
Bibliografía:
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