¿Qué es la entropía?

La entropía es un concepto que se utiliza para describir la cantidad de desorden y/o aleatoriedad en un sistema. Es uno de los conceptos más básicos de la ciencia, pero puede aplicarse a cualquier sistema, desde los simples cubitos de hielo que se derriten en el agua hasta la forma en que los monos se balancean en las ramas de los árboles. La entropía es simplemente una medida del aumento del desorden, pero ¿qué significa eso? ¿Cómo se aplica a nuestro universo? ¿Y cómo podemos utilizar la entropía como herramienta para entender cómo funcionan las cosas?

La entropía es la medida de la dispersión o desorden de las partículas de un sistema

La entropía es la medida de la dispersión o el desorden de las partículas en un sistema. Es una función del número de maneras diferentes en que las partículas pueden disponerse en un sistema, dado que todas las demás condiciones son constantes. Por ejemplo, si hay seis disposiciones posibles para 10 canicas azules y 20 canicas rojas (en las que no se tocan dos canicas), entonces hay 60 disposiciones posibles para estas 40 canicas (seis veces diez más cuatro). La segunda posibilidad tiene un valor de entropía de 0,5 bits/partícula.

La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir.

La primera ley de la termodinámica establece que la energía no puede crearse ni destruirse. La primera ley de la termodinámica es un principio fundamental de la física, junto con la segunda y la tercera ley.

La primera ley de la termodinámica no es una afirmación sobre cómo ocurren las cosas en la naturaleza, sino una descripción de lo que ocurrirá cuando veamos todas las formas posibles en que puede comportarse la naturaleza. Es una ley empírica, lo que significa que describe acontecimientos pasados y no se deriva de ninguna otra teoría o fórmula.

La primera ley de la termodinámica tiene cierto poder explicativo: si estás junto a alguien, por ejemplo, y te alejas de él a 1 metro por segundo mientras él sigue moviéndose a 1 metro por segundo (es decir, no cambia nada más a su alrededor), con el tiempo os alejaréis más, ya que vuestra velocidad relativa aumenta (tú te mueves más rápido que ella).

La segunda ley de la termodinámica establece que el universo se vuelve más desordenado con el tiempo.

La segunda ley de la termodinámica establece que el universo se vuelve más desordenado con el tiempo. En otras palabras, las cosas tienden a desordenarse con el tiempo.

La entropía es una medida de este desorden, pero no es precisamente sencillo calcular la entropía a partir del estado actual de un sistema y su estado inicial (que llamaremos «inicial»). La fórmula para determinar la entropía depende de saber de cuántas formas diferentes pueden estar dispuestas las partículas del sistema en un momento dado. Por ejemplo, si hay cuatro personas de pie esperando el tren, podrían estar en cualquier parte de un área con un espacio igual a media milla cuadrada; sin embargo, si están todos juntos mirándose como si fueran los mejores amigos para siempre, sólo hay un número determinado de maneras en que esas personas pueden estar dispuestas: o bien todos están al lado de todos o bien nadie está al lado de nadie; sólo habría dos posibilidades.

Por lo tanto:

La segunda ley de la termodinámica también establece que ningún proceso puede ser 100% eficiente.

La segunda ley de la termodinámica establece que el universo se vuelve más desordenado con el tiempo. Esto significa que la entropía aumenta con el tiempo y nunca puede disminuir. La entropía es una medida del desorden dentro de un sistema y es igual a la cantidad de energía en un sistema que no está disponible para hacer trabajo.

El calor generalmente fluye de un objeto a mayor temperatura a un objeto a menor temperatura.

Es posible que haya oído el dicho «El calor fluye de lo caliente a lo frío». Esto es cierto, pero es un poco engañoso. La frase sugiere que el calor es una sustancia o un fluido real que puede transferirse entre objetos; sin embargo, el calor es en realidad sólo una forma de energía. La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse. Por eso, cuando te sientes caliente después de sentarte cerca del fuego en un frío día de invierno, no estás recibiendo nueva energía: tu cuerpo simplemente está transfiriendo parte de su energía térmica (la energía cinética de los átomos) a la energía térmica de tu entorno (elementos que se encuentran en la naturaleza). Pronto hablaremos de cómo ocurre esto.

Los cubitos de hielo que se derriten en el agua son un ejemplo de la entropía en funcionamiento.

Veamos un ejemplo. Cuando un bloque de hielo se funde en el agua, podemos observar cómo funciona la entropía: la temperatura del agua aumenta y la del hielo disminuye. Esto se debe a que el calor fluye de los objetos con una temperatura más alta a los objetos con una temperatura más baja. La entropía se define como «una medida de la distancia» entre estos dos estados, es decir, la cantidad de energía necesaria para alcanzarlos.

Cuando creas un desorden, aumentas la entropía al poner tus cosas en un estado de mayor desorden.

La entropía es una medida de la cantidad de energía disponible para realizar un trabajo. También es la velocidad a la que un sistema tiende al desorden y la cantidad de energía del sistema. Si alguna vez has visto arder algo, sabes que el calor proviene de este tipo de combustible. Puedes acumular mucha energía creando orden o descomponiendo productos químicos u otras sustancias en formas más simples, pero siempre que lo hagas, parte de esa energía se perderá en forma de calor y fricción entre las moléculas.

Cuando creas desorden, aumentas la entropía al poner tus cosas en un estado de mayor desorden (ya sea en tu escritorio o en tu armario). Lo mismo ocurre cuando se derrite un cubito de hielo: pasa de ser sólido a una temperatura a líquido a otra; con el tiempo, estos estados se vuelven menos distintos, ya que el hielo vuelve a convertirse en agua por efecto de la entropía.

La teoría del caos sugiere que todos los sistemas complejos pueden volverse caóticos si sólo cambia una parte, y el caos es otro ejemplo de entropía en funcionamiento.

Un sistema caótico es aquel que es sensible a las condiciones iniciales, o «estado inicial». En otras palabras, un cambio en cualquiera de las partes del sistema puede tener un gran impacto en su funcionamiento. Por ejemplo, si dejas caer una pelota desde un edificio alto y observas cómo cae, tu observación será diferente dependiendo de si hay o no corrientes de aire o fuertes vientos soplando en ese momento.

Esto se debe a que en la física (y en otros ámbitos), los pequeños cambios tienden a provocar grandes cambios durante largos periodos de tiempo, y esto es lo que hace que las cosas sean complejas: están influidas por tantas variables que resulta imposible predecir su comportamiento. Este concepto fue formalizado por Edward Lorenz con su idea del «efecto mariposa», que afirma que incluso los pequeños cambios pueden tener enormes consecuencias durante largos periodos de tiempo si se producen en sistemas caóticos como los patrones climáticos o los sistemas meteorológicos.

La entropía es simplemente una medida del aumento del desorden.

La conclusión de este artículo es que la entropía es simplemente una medida del aumento del desorden. Cuando se habla de un aumento de la entropía, no sólo significa que algunas cosas se están calentando. Significa que hay más formas de que el sistema esté desordenado. El aumento del calor por la fricción o la rodadura sin fricción no es lo mismo que el aumento del desorden, por lo que son conceptos distintos.

Por último, si has llegado hasta el final de este artículo y no tienes ni idea de lo que hemos hablado, ¡no te preocupes! La entropía no es algo que la mayoría de la gente necesite saber en su día a día (a menos que seas físico). Sin embargo, entender cómo funciona la entropía te ayudará a comprender su papel en la física y la química, y con suerte te dará una idea de por qué algunos procesos son mucho más fáciles que otros.

Conclusión

Si no está seguro de lo que es la entropía, este artículo le dará una buena idea de lo que es y cómo funciona. La entropía es un concepto útil para entender en muchos campos diferentes, ya sea la termodinámica o la teoría del caos.

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