¿Qué relación existe entre la entropía y el tiempo?

La relación entre la entropía y el tiempo es que la entropía aumenta con el tiempo. La segunda ley de la termodinámica establece que la cantidad total de desorden en el universo siempre aumenta. Esto significa que cuanto más tiempo pase, más desorden tendrá tu habitación si no la limpias. De hecho, no hay forma de revertir este proceso: por mucho que lo intentes o por mucho orden que pongas al limpiarla, tu habitación siempre se volverá menos ordenada con el tiempo, a no ser que venga otra persona y la desordene aún más.

La entropía es una medida del desorden.

El libro de Fisher contiene mucha información, pero si lo lees entero, entenderás qué es la entropía y cómo funciona. No es una lectura corta ni mucho menos. Es un libro maravilloso. No es para los débiles de corazón. No es para los perezosos. No es para los tímidos. No es para los aprensivos. Es un libro que requiere esfuerzo, compromiso y valor para leerlo y, sobre todo, requiere valor para dedicar tiempo a este tipo de empresa, pero si te comprometes plenamente con este proyecto (y tienes algunos conocimientos básicos de física), te prometo de todo corazón que aprenderás algo importante leyendo el libro de Fisher.

Entropía y visión microscópica

Para entender la relación entre la entropía y el tiempo, primero hay que entender qué es la entropía.

La entropía es la medida del desorden en un sistema. Es una medida de la cantidad de energía que no está disponible para el trabajo dentro de ese sistema: se pierde porque no está en un estado en el que se pueda utilizar eficazmente. (Si alguna vez has intentado utilizar una pila vieja, sabes de lo que hablo). En física, esta pérdida de energía disponible se denomina aumento del «desorden». Cuanto más desordenado esté algo, menos útil será, por lo que decimos que su entropía ha aumentado.

La entropía en función del tiempo y la temperatura

La entropía puede considerarse una medida del desorden en un sistema. Sin embargo, no es tan sencillo; es más preciso decir que la entropía es una medida de la cantidad de formas diferentes en que pueden organizarse las moléculas de un sistema. Un sistema con baja entropía tiene pocas disposiciones posibles y los sistemas con alta entropía tienen muchas disposiciones. Por tanto, la entropía está directamente relacionada con el número de microestados disponibles dentro de un conjunto de condiciones determinado (temperatura y volumen).

A altas temperaturas y bajos volúmenes hay menos microestados que a bajas temperaturas y altos volúmenes, por lo que tiende a haber menos orden en esos sistemas (tienen entropías más altas).

Si alguna vez has discutido con alguien a quien le gusta que las cosas sean así, estarás familiarizado con este concepto: los sistemas de alta entropía tienen más opciones o posibilidades que los de baja entropía

La entropía en función del tiempo, el volumen y la temperatura

La segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía total (una cantidad física que representa la indisponibilidad de la energía de un sistema) en un sistema aislado nunca disminuirá por procesos naturales. Dice que el universo está condenado a un estado de desorden creciente y que el propio tiempo es inexorable; no hay excepciones.

A menudo se malinterpreta la segunda ley como una afirmación sobre sistemas que alcanzan el equilibrio, pero más bien describe lo que ocurre con el tiempo dentro de cualquier sistema aislado. Como habrá adivinado por nuestra anterior explicación, más de la mitad de las reacciones químicas conducen a un aumento de la entropía y, por tanto, no pueden desarrollarse espontáneamente en condiciones ordinarias (a temperatura y presión ambiente). Esto incluye las reacciones de combustión: ¡la quema de gasolina no libera menos energía de la que se utilizó para producirla!

La entropía y la segunda ley de la termodinámica

Es posible que haya oído hablar de la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía siempre aumentará en un sistema aislado. Por ejemplo, si se representa gráficamente el número de microestados disponibles para un gas a medida que aumentan su volumen y su temperatura (un sistema «cerrado»), se puede observar cómo la entropía aumenta con el tiempo.

La relación entre el tiempo, la entropía y el desorden es muy importante para los científicos que estudian sistemas complejos como el tiempo o el cambio climático.

La entropía puede considerarse una medida del desorden en el universo.

A altas temperaturas, las moléculas de un gas son muy activas y se mueven rápidamente. A estas temperaturas, la entropía es grande. Cuando se añade calor a un sistema de moléculas de gas a volumen y temperatura constantes, se produce un aumento tanto de la energía interna como de la entropía. El aumento de la energía interna es el resultado de la transferencia de energía cinética de las paredes a las moléculas individuales. Si una sustancia sufre un proceso irreversible, como la mezcla o la expansión a presión constante, su entropía aumenta en n(kT/V), donde n describe el número de moles presentes (n = M/M). Por ejemplo, cuando el agua se evapora a T=273K en el aire a temperatura ambiente T=293K su entropía aumenta en:

¡Cuando algo ocurre lentamente a bajas temperaturas su causa es casi siempre debida al azar (entropía)!

Conclusión

Es importante entender que, cuando se aplica al universo, la entropía no es sólo una medida del desorden; es también una medida de todos los procesos que dan lugar al orden (así como de los que dan lugar al caos). No sólo nos dice cuánto cambian las cosas con el tiempo, sino también por qué cambian. Por ejemplo, si se deja caer una pelota en una caja llena de otras pelotas, se puede utilizar la entropía para calcular cuánto tiempo pasará hasta que todo se asiente en un patrón ordenado en el que no haya dos pelotas que se toquen.

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