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La vida tal como la conocemos depende de que mantengamos el orden. Nuestros cuerpos mueren si no se mantienen alimentados y en las condiciones adecuadas. Los electrodomésticos se descomponen cuando revuelves sus cables. Nuestros padres se desilusionan cuando no hacemos la cama.

Imagen vía Pixabay.

Pero independientemente de cuánto trabajemos para mantener nuestras habitaciones limpias y ordenadas, el Universo parece estar en nuestra contra. La entropía de un valor describe el desorden. Y, según la física, no podemos ganarle. No importa lo que hagamos, la segunda ley de la termodinámica dice que la entropía en el universo permanecerá constante o aumentará.

Técnicamente, los físicos definen un número llamado entropía para medir qué tan revuelto está el universo en un momento dado, escribió George Musser para Scientific American .

Por lo tanto, la entropía es quizás la única fuerza verdaderamente imparable en el universo, aunque no sea una fuerza. Empezó a actuar desde el Big Bang. No se detendrá hasta que el calor muera del Universo.

Pero lejos de ser una influencia maligna, tramando cínicamente nuestra desaparición desde las sombras, la entropía es simplemente un producto de las estadísticas. Bien podría ser lo que da sentido y dirección al concepto de tiempo.

Por lo menos, es un gran recordatorio de que en el panorama general, lo que llamamos orden podría ser de hecho caos, que nuestro planeta, nuestros cuerpos y nuestras obras son la excepción, una casualidad estadística contra un Universo vacío y respetuoso de la ley. .

¿Suena bien? Bueno, a mí me pasa, y soy el chico del teclado, así que hoy vamos a hablar sobre la entropía.

El desorden de la habitación desordenada.

La forma más común en que se explica la entropía es como desorden o aleatoriedad. Una habitación limpia, por ejemplo, tiene menos entropía que esa misma habitación después de dos semanas de no haberla arreglado. Se volverá más desordenado con el tiempo, pero lamentablemente nunca se limpiará solo por casualidad.

Esto tampoco.
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Tanto este ejemplo como la ecuación con el desorden tienen algunos defectos, como veremos más adelante, pero son lo suficientemente descriptivos como para ser un buen punto de partida. Para ser más específico sobre este concepto, tendremos que mirar la física y la probabilidad.

Probabilidad

Cada sistema tiene un macroestado (su forma, tamaño, temperatura, etc.) y varios microestados. Los microestados definen la disposición de todas las moléculas dentro de ese sistema y cómo interactúan. Cada arreglo (cada microestado) tiene una oportunidad de suceder. La entropía es una forma de cuantificar qué tan probable es el microestado actual del sistema.

Una moneda es una muy buena analogía. Su macroestado es su forma, tamaño, color, temperatura. Sin embargo, gírelo dos veces y obtendrá cuatro posibles microestados que alternan cara y cruz, dos caras o dos cruces. Todos son posibles, pero un resultado (una secuencia de caras y cruces) tiene una probabilidad de 1 en 2 de suceder, mientras que los otros tienen 1 en 4. Por eso, la secuencia de caras y cruces es la que tiene la mayor probabilidad. entropía

Esta comprensión estadística del término tiene sus raíces en la definición física de entropía, y estoy simplificando mucho las cosas, pero creo que es la mejor idea aproximada de cómo funciona.

A los castillos les crece musgo y se desmoronan, los tacones se desprenden de los zapatos. Los sistemas ordenados se descomponen con el tiempo porque hay un solo microestado en el que permanecen iguales e innumerables en los que cambian. Es inmensamente más probable que suceda.

Son posibles reducciones espontáneas en la entropía, como la formación de vida o cristales. Josiah Willard Gibbs, un ingeniero estadounidense de principios del siglo XX, incluso encontró una manera de calcular por qué (más sobre esto más adelante). Sin embargo, en general, la entropía en un sistema aumenta con el tiempo, porque los cambios hacia el desorden son abrumadoramente más probables que hacia el orden.

Desde un punto de vista físico

Todos entendemos instintivamente que el desorden es más probable que el orden, pero ¿por qué?

La esencia de esto es que la aleatoriedad es simple y baja en energía. Es homogéneo. La naturaleza ama eso.

Un vaso de hielo es más ordenado que un vaso de agua. Las moléculas en el hielo se mantienen en un arreglo muy específico, formando una red que percibimos como cubos de hielo. Si tuviera que simular un vaso, tendría que programar su composición molecular, forma, tamaño y posición relativa entre sí. Para el vaso de agua, todo lo que necesitas hacer es definir la forma del vaso y qué tan alto lo estás llenando porque sus moléculas se mueven de manera indefinible. El hielo necesita más datos para que sea lo que es, es más complicado, por lo que es menos probable.

La entropía también mueve las cosas hacia estados bajos de energía (incluida la energía potencial) porque los procesos espontáneos tienden a trabajar para corregir los desequilibrios y, por lo tanto, gastar energía. Un vaso medio lleno de hielo y medio de agua hirviendo tiene un mayor desequilibrio y una menor entropía que un vaso en el que están mezclados y así es.

Algunas probabilidades son más probables que otras, lo cual es nuestra entropía estadística porque conducen a sistemas más simples y homogéneos al transformar la energía en nuestra entropía física. Y en la naturaleza, como en las finanzas, no pasa nada a menos que pagues por ello (con energía gratis).

Llevándonos claramente a:

Energía libre de Gibbs

En resumen, la fórmula de energía libre de Gibbs nos dice si un proceso ocurrirá espontáneamente o no.

La energía libre de un sistema se puede utilizar para realizar trabajo físico (para mover cosas). Su entalpía (calor) menos el producto de la temperatura y la entropía. Siempre que sea negativo, el sistema, como una reacción química, puede comenzar espontáneamente. Esto significa que una transferencia de calor, que es energía, o un aumento de la entropía pueden proporcionar energía al sistema. Este último generalmente se ve como cambios en el volumen, especialmente en reacciones endotérmicas (absorción de calor).

La fórmula de Gibbs nos muestra que se puede obtener energía al romper los enlaces químicos, por lo que las moléculas generalmente intentan volverse lo más pequeñas posible. Los fluidos, como los líquidos o los gases, generalmente están hechos de moléculas más pequeñas y livianas. También se encuentran en un estado de mayor entropía que los sólidos, por ejemplo, ya que sus moléculas pueden moverse libremente entre sí.

la flecha del tiempo

Dado que las cosas tienden naturalmente a ganar entropía, los sistemas complejos tienden a descomponerse en sistemas desorganizados. Es una de las pocas nociones físicas que requieren una dirección muy definida en el tiempo.

Técnicamente, no hay leyes naturales que digan que un trozo de madera quemada y un charco de agua no pueden volver a quemarse y congelarse, aparte de la entropía. Toda la energía y la materia del mundo se concentraron en algún momento en un solo punto durante el Big Bang. Todavía está aquí. La única diferencia desde entonces es que hay mucha más entropía, y siempre está creciendo.

Debido a que la entropía fluye en una sola dirección, se ha argumentado que la entropía hace que el viaje en el tiempo sea imposible, pero solo el tiempo lo dirá.

Por lo que sabemos hasta ahora, uno de los dos resultados posibles es que la entropía gane al final. Llamamos a este escenario hipotético Big Freeze o Big Chill, o la muerte térmica del Universo. Personalmente, me gusta el último porque parece apropiadamente dramático. En tal escenario, no hay más energía libre en todo el universo. Como tal, no puede haber aumento en la entropía. Pero también significa que nada sucedería, nada se movería jamás.

Entonces, ¿estamos condenados? No necesariamente. Podríamos subvertir esto si aprendemos a crear hidrógeno a partir de energía pura. El hidrógeno alimenta a las estrellas, y eso podría (¿tal vez?) usarse para evitar esta muerte por calor. También está la otra alternativa, el Big Rip, pero tampoco suena agradable.

Con todo, la entropía es un tema muy complejo. Solo se puede definir a través del sistema al que se aplica, por lo que las diferentes áreas académicas se centrarán de alguna manera en elementos particulares de este concepto.

Pero definitivamente es un tema fascinante. Es un poco humillante saber que lo mismo que ensucia tu habitación probablemente también acabe con el universo algún día.

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