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Segunda ley de la termodinámica y entropía

Transcripción del video

la segunda ley de la termodinámica una de sus premisas es que la entropía del universo sólo aumenta y lo puse entre signos de exclamación porque me parece que es una afirmación muy profunda y en muchos niveles lo es y sólo para que entremos en la misma línea de pensamiento tengo aquí esta imagen del cielo nocturno tomada por el telescopio hubble y cada uno de estos puntos estos no son estrellas estos son galaxias esto es una galaxia esto es otra galaxia esto es otra galaxia y vamos a pensar en lo que esto nos está diciendo en realidad la entropía del universo sólo aumenta a la entropía la podemos definir como el nivel de desorden de un sistema y realmente estamos hablando del número de estados que un sistema podría asumir en este caso estamos hablando del universo pero también podríamos decir que la entropía de un sistema cerrado sólo aumenta el universo es un sistema que está totalmente contenido que no está interactuando con su entorno porque el universo es el sistema cerrado final no hay nada con lo que pueda interactuar termodinámicamente fuera de él y voy a hacer un repaso rápido de los sistemas abiertos y cerrados sólo para asegurarnos de que entendemos bien este concepto así que si tuviera una fogata tengo aquí algo de madera y tenemos fuego justo así esta es nuestra fogata si solamente me fijara en los troncos y el fuego esto va a ser un sistema abierto porque claramente está interactuando termodinámicamente con su entorno está librando calor y está calentando las moléculas de aire a su alrededor está librando luz hacia el universo podría haber interacciones provenientes del resto del universo hacia el sistema por lo tanto no está aislado del resto del universo pero un sistema cerrado es aislado y es muy difícil crear un sistema realmente cerrado en nuestra vida cotidiana pero podemos tener algo aproximado probablemente uno que ya has visto antes una hielera en una hielera estamos intentando aislar termodinámicamente el interior de la hielera del exterior del resto del universo y la forma en que lo hacemos es mediante algún tipo de material aislante tal vez con algo de poliestireno extruido y podríamos usarla para almacenar hielo pero no es un sistema cerrado perfecto porque eventualmente el calor del resto del universo calentar a las paredes de la hielera y ese calor será transferido a hielo calentándolo y derritiendo lo así que no es un sistema cerrado perfecto pero es una buena aproximación porque estamos al menos intentando aislar lo termodinámicamente del resto del universo podríamos incluso ponerle una tapa para demostrar que realmente queremos aislarlo y en los laboratorios de investigación de las cosas que son mucho mejores aproximaciones de sistemas cerrados pero incluso esos sistemas en algún nivel van a interactuar con el resto del universo este es un sistema cerrado el único sistema cerrado real es el universo no hay nada con lo que pueda interactuar termodinámicamente fuera del mismo vamos a pensar un poco acerca de esta definición la entropía del universo sólo aumenta porque esto nos genera el sentido de manera intuitiva bueno el mejor ejemplo que puedo pensar para ello la difusión vamos a decir que tengo un contenedor tengo este contenedor y lo voy a hacer un recipiente cerrado vamos a decir que esto es un sistema cerrado ideal teórico ahora vamos a decir que hay gas ideal dentro del contenedor tenemos algunas moléculas de gas ideal justo aquí tienen una temperatura promedio y eso significa que cada una tiene su propia energía cinética todos están rebotando de maneras diferentes qué va a pasar con el tiempo bueno con el tiempo los de aquí de la izquierda van a rebotar en esta pared y luego van a ir en esta dirección y así con el tiempo vas a tener una situación donde el sistema se va a ver algo así nuestro sistema se va a ver algo así donde estas seis partículas se van a difundir por el contenedor van a ocupar más del espacio del contenedor ahora bien que acaba de suceder en este proceso bueno cuando las partículas estaban contenidas en esta pequeña sección del recipiente había menos estados posibles había una entropía menor que aquí cuando el contenedor está lleno hay más lugares posibles y más orientaciones posibles para las partículas por lo tanto va a haber más estados hay una mayor entropía mayor entropía y en general estos procesos donde la entropía aumenta los llamamos procesos irreversibles y rever civiles porque son irreversibles bueno hay cierta posibilidad de que estas moléculas se reúnan de nuevo en este rincón del contenedor pero es una probabilidad muy muy baja y esto es cuando estamos lidiando con seis moléculas pero en los sistemas reales estaríamos hablando de mucho más que seis moléculas vamos a estar hablando de millones de millones de millones de millones de moléculas cifras con entre 20 y 30 02 de moléculas y así es muy poco probable que todas ellas choque de la manera correcta para comenzar a ocupar un volumen menor cuando en realidad podrían llenar el recipiente es por eso que normalmente no vemos que el humo por ejemplo tome algún tipo de forma de manera natural o que ocupen menos espacio en vez de llenar su contenedor por lo tanto esto es irreversible ya que pasamos de un número menor de estados posibles con un volumen más pequeño a un mayor número de estados posibles y el universo está haciendo esto constantemente es por eso que la entropía del universo sólo está incrementando hay algunos procesos en los que se percibe que la entropía no está aumentando mucho si tuvieras una bola de billar por aquí la hiciera rodar hacia otra bola de billar por aquí y transferir el momento a esta otra bola nos da la impresión de que se podría revertir es decir que la otra bola de billar podría llegar a ésta e irse hacia atrás y a un nivel macro se siente como si se tratara de un proceso reversible y la gente tiende a llamar esto reversa chile y da la apariencia de que la entropía no incrementa mucho y sólo para que quede claro cuando esta bola está en movimiento y ésta se encuentra estática ir a un estado en el que ésta se mueve y ésta se encuentra estática no parece que la entropía esté aumentando mucho y es por eso que tienden a llamar a esto reversible porque se observa desde un nivel en que las cosas podrían ir en reversa ésta podría chocar con ésta y luego ésta podría ir hacia atrás como si pudiera rebobinar la película pero incluso así si lo viéramos a un nivel microscópico verías que se está generando algo de calor y que algunas moléculas en la pelota están entrando en un estado excitado ya que chocan entre sí y tienen la fricción con el aire y ruedan por el suelo y nunca se va a conseguir que esas moléculas regresan al estado en que estaban antes en realidad la entropía si está aumentando en el sistema aún cuando nuestra vida diaria en termodinámica la gente habla de procesos irreversibles son sólo aproximadamente reversibles en los que la entropía sólo ha aumentado un poco no es que no haya aumento en la entropía en las reacciones irreversibles la difusión es un ejemplo muy bueno donde es muy evidente que hay un aumento en la entropía y se siente que existe una probabilidad muy baja o casi nula de que el sistema regrese a donde estaba el inicio y no es algo que vayamos a observar porque estamos hablando de muchas moléculas una cifra con 20 o 30 06 de moléculas las probabilidades de que todas ellas se muevan de la manera correcta son muy bajas podrías esperar un tiempo muy largo y en realidad nunca observar que esto suceda espero que esto te genere sentido que el desorden el número de estados sólo aumenta conforme hay más y más interacciones y mucho de eso viene del calor todo lo que estás haciendo en este momento cuando estoy haciendo este vídeo mi cuerpo está generando calor ese calor se disipa en el universo y eso no se suma el número de estados que el universo puede asumir conforme me muevo mis manos y el lápiz digital que estoy usando está causando fricción y está librando calor al universo mi computadora está librando calor al universo mientras vez este video estas liberando calor al universo los electrones que viajan por el cable hacia tu computadora están librando calor al universo y todo eso está aumentando el número de estados del universo y si estás pensando a un nivel molecular aumenta el número de estados de todo