La irreversibilidad es un concepto que, a priori, suena extraño a quienes son ajenos al mundo científico. La palabra es la negación de reversible, con la que estamos algo más familiarizados. En nuestra experiencia cotidiana, una chaqueta puede ser reversible (ser de un color diferente por cada lado), o el camino de casa al trabajo también lo puede ser.
Sin embargo, a pesar de no saber muy bien lo que es, la
irreversibilidad explica prácticamente todos los fenómenos de nuestro día a día:
un hielo se derrite; tu habitación se desordena a lo largo de la semana; al
lanzar una baraja de cartas, éstas caen de manera desordenada; si una taza
choca con el suelo, se romperá y derramará lo que contenía… Todas estas
experiencias, son procesos irreversibles, es decir, que en iguales condiciones,
si dejas agua a temperatura ambiente ésta no se convertirá en hielo, o la
taza rota no se recompondrá.
El problema de la irreversibilidad trajo de cabeza a muchos científicos a principios del siglo XX, cuando la Mecánica Newtoniana tenía total vigencia y el concepto de átomo no estaban aceptado. Así, como las ecuaciones de Newton en principio eran reversibles, ¿qué ley Física provocaba que la taza se pueda romper, pero no reconstruir? ¿por qué no ocurre lo opuesto?
La solución a este problema vino de la mano de la Mecánica Estadística, gracias a la cual se explican multitud de fenómenos sin necesidad de recurrir a complejas teorías. La respuesta a esta aparente paradoja es tan bonita como sencilla: todo era cuestión de probabilidad. Así, para que tengamos una taza, cada átomo que la conforma tiene que estar en una posición muy concreta. Sin embargo, las diferentes formas en que se puede romper una taza son muchísimas, y más aún, al romperse los átomos tendrán a su disposición miles de millones de posibles conformaciones en que colocarse. Así, las tazas se rompen porque simplemente la probabilidad de que eso suceda es mucho mayor a que la taza quede como está.
De una forma más rigurosa, se define la reversibilidad como la capacidad que tiene cualquier sistema de volver hacia atrás (sin romper ninguna ley Física), de tal forma que vaya a través de pasos infinitamente cortos y de forma lenta, sin alterar sus alrededores. Como tal, los sistemas reversibles no existen en el mundo real, pues nada puede ser infinitamente lento, simplemente es una condición teórica, aunque hay muchos procesos que se acercan a la reversibilidad, y son los llamados cuasi-pseudo reversibles, como por ejemplo cuando coges una cuchara de sopa, la levantas, y la vuelves a dejar, o como ciertos equilibrios químicos.
Por su parte, un proceso será irreversible cuando es temporal (su evolución depende del tiempo), y como consecuencia se produce entropía (2ª Ley de la termodinámica). La entropía da cuenta de cuán probable es un estado, cuanta más entropía, más probable será (es decir, ese estado se puede alcanzar de muchas formas posibles). La entropía no siempre nos indica que se va hacia más desorden (pues primero habría que definir qué es el orden y en qué contexto), sino simplemente es una magnitud que nos dice cómo de probable es un estado. Si se quiere profundizar en este tema, recomiendo este vídeo de Quantum Fracture.
Así, al universo le gustan los procesos irreversibles,
pues van acompañados de un aumento de entropía, lo que es mejor desde un punto
de vista energético. Además, todos los procesos espontáneos son irreversibles,
y a pesar de que puede que en el sistema concreto la entropía disminuya, la
entropía del universo (que es el sistema que nos engloba a todos) siempre
aumentará.
Todo lo que acabamos de ver no es más que la
consecuencia del segundo principio de la termodinámica, que de forma matemática
se expresa como:
Que se lee como el cambio infinitesimal de entropía (dS) de un sistema aislado debe ser siempre mayor (o igual) al calor intercambiado, divido por la temperatura del sistema. Debido a este principio, no existen máquinas que a lo largo del tiempo funcionen igual que el primer día y por eso tienes que cambiar de móvil, ordenador, o televisión cada cierto tiempo.
No obstante, algún avispado lector podrá alegar que él ha visto cubitos de hielos o habitaciones recogidas. ¿Se está incumpliendo acaso el 2º principio de la Termodinámica? Aunque parezca contradictorio, a pesar de que el proceso espontáneo
(irreversible) sea el de que el hielo se funde y la habitación se desordena,
para que éso no ocurra se aporta energía, ya sea en forma de
corriente eléctrica para que nuestro frigorífico congele el agua, o bien aplicando nuestra propia energía y tiempo para colocar la habitación. Un día más, la Termodinámica vuelve a ganar la partida.
Estad atentos, porque en la continuación de este artículo, veremos cómo este concepto de la irreversibilidad se esconde en la naturaleza misma de la vida.
Referencias
Groot, S. R. (1968). Termodinámica de los procesos
irreversibles. Alhambra.
Me veo obligado a responder la mención del autor jeje. Lo primero, decir que la entropía es una magnitud fundamental y bastante olvidada por el público, algo terrible, así que me alegra que se le preste la debida atención en este post.
ResponderEliminarNo obstante, quiero remarcar algo de la expresión matemática que aparece en esta entrada. Aparece un "mayor o igual" en la relación entre los dos lados de la ineuación que separa la reversibilidad de su contrapartida; si el cambio en entropía es IGUAL al flujo de calor entre temperatura, entonces el proceso es REVERSIBLE; si la variación de entropía es SUPERIOR al flujo de calor entre temperatura, el proceso es IRREVERSIBLE. Así pues, el segundo principio de la Termodinámica separa cuantitativamente ambas situaciones.
Sí, se me olvidó mencionar que en la inecuación, el igual es para procesos reversibles. No era la intención del post entrar ya a eso, simplemente quería poner la expresión general del segundo principio. Pero evidentemente, tienes razón.
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