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Transcripción del video

voy a hacerte lo que creo es una pregunta interesante alguna vez te has sentado en una habitación a temperatura ambiente digamos que alrededor de 21 grados celsius y visto un vaso con agua líquida espontáneamente tener hielo en el centro supongo que nunca lo has visto y dirías por supuesto que no vería hielo formándose espontáneamente especialmente si la habitación está a 21 grados celsius que es una temperatura superior al punto de congelación del agua pero mi pregunta es por qué no porque eso no parece desafiar cualquiera de las leyes de la física la física newtoniana o incluso la primera ley de la termodinámica entonces vamos a pensar en como eso podría ocurrir vamos a imaginar un montón de moléculas de agua en estado líquido tengo un montón de moléculas de agua en estado líquido y tiene una temperatura promedio recuerda la temperatura es solo la energía cinética promedio por lo que cada una de estas va a tener su propia velocidad y su propio momento todos van a estar rebotando de maneras diferentes y tienen enlaces o puentes de hidrógeno entre ellas es por eso que el agua se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente a diferencia de su estado gaseoso algunos enlaces de hidrógeno entre ellas pero no voy a entrar en mucho detalle al respecto por el momento te puedes imaginar que están rebotando en formas aleatorias pero que hay cierta probabilidad de que interactúen de la forma correcta de manera que tal vez esta molécula por aquí golpee a esta molécula de la manera correcta y transfiera la mayor parte de su momento a esta molécula y así ésta pierde algo de su momento y se ralentiza mientras esto ocurre aquí al lado una de las otras moléculas transfiere la mayor parte de su momento a alguna otra molécula y también se ralentiza así que todas ellas tienen un momento mucho menor y tal vez está al mismo tiempo también choca con otra molécula por lo que se ralentiza y luego las otras a las que les fue transferido el momento ahora todas ellas se están moviendo más rápido así que digamos que a esta le transfirieron momento a esta le transfirieron momento y a esto también le transfirieron momento a esta le transfirieron momento y a ésta le transfirieron momento y ahora estas moléculas por aquí su momento es lo suficientemente pequeño sus velocidades son lo suficientemente pequeñas que los postes de hidrógeno actúan y empiezan a formar una estructura cristalina se están enfriando tanto que se congelan se están convirtiendo en hielo y porque esto no puede suceder en lo que acaba de describir sólo estoy hablando de moléculas que chocan entre sí y transfieren su momento estoy hablando de energía que no se crea ni se destruye por lo que parece ir de acuerdo con la primera ley de la termodinámica así que parece ser que en teoría podría ser posible que el hielo se forme espontáneamente o tal vez otra manera de pensar en ello tal vez es posible empezar con un sistema que es uniforme a una temperatura promedio pero tal vez se podría formar un poco de hielo aquí si el resto del agua que se encuentra alrededor se calienta tal vez al inicio toda el agua está a 21 grados celsius todo esto está a una temperatura neutral de 21 grados celsius pero tal vez hay cierta probabilidad de que de forma espontánea sin tener creación o pérdida de energía parte de la energía de la zona central se transfiera hacia el exterior por lo que el exterior se calienta así que tal vez toda esta parte externa del agua se calienta esta es una vista aérea del vaso con agua tal vez toda esta zona del agua se calienta y toda el agua en el centro se enfría pero tienen la misma energía cinética total así que no se ha creado ni perdido energía simplemente ocurrió que de manera espontánea hubo transferencia de energía desde la zona central hacia el exterior e incluso conforme la zona del centro se enfría cada más se transfiere más y más energía del agua fría hacia el agua caliente y se queda de esta manera este escenario se siente que podría ser posible debido a algo de la física que ya conocemos pero algunas personas reflexivas como estos señores de aquí este es carnage considerado como el padre de la termodinámica kelvin y rudolf clausus ellos observaron repetidamente y se dieron cuenta de que esto no parece ocurrir en la naturaleza especialmente cuando se llega a los estudios de kelvin y clausus ellos dicen no se ve que ocurra transferencia de calor de frío a caliente y puesto que no estamos observando que ocurra vamos a añadir nuestra segunda ley de la termodinámica la da cunda la segunda ley d hola termo una mica la segunda ley de la termodinámica es empírica se basa en la observación y la segunda ley de la termodinámica de acuerdo con rudolf clausus y voy a parafrasear esto es que no vemos una transferencia espontánea de calor desde las zonas frías hacia las zonas calientes déjame escribir eso hay transferencia espontánea d y calor de frío ah caliente no hay transferencia espontánea de calor de frío a caliente y voy a subrayar la palabra caliente y esto estuvo basado en la observación porque no vemos que esto ocurra de manera espontánea no vemos que el agua se organice de pronto y tenga una región caliente y una región fría y enfriarse tanto que se congele de forma espontánea lo que si observamos es que si colocará un vaso con agua y hielo en una habitación a temperatura ambiente voy a ver que ocurre lo contrario voy a ver que hay transferencia de calor de las zonas cálidas a las zonas frías esta es el agua vamos a ver que hay transferencia de calor en el otro sentido de las regiones calientes a las regiones frías ahora bien esta fue una observación empírica y estaba soportada por la experimentación pero porque vemos que esto sucede y resulta que hay una muy muy muy muy muy pequeña probabilidad de que esto suceda recuerda que en los sistemas reales y la termodinámica es el estudio de los sistemas más que de las moléculas individuales en cualquier sistema del que estemos hablando hay muchas muchas más moléculas que sólo estas tres moléculas de aquí si nos fijamos en el número de moléculas que hay en un vaso con agua estamos hablando de cifras con 24 ó 25 ceros dependiendo del tamaño del vaso con agua que tengas así que estamos hablando de un gran gran número de moléculas y estadísticamente y ellos no pensaron en esto de manera estadística hasta que boltzmann lo hizo pero estadísticamente las probabilidades de que esto ocurra son tan bajas especialmente cuando pensamos en más de tres moléculas y estoy hablando de mucho mucho más de tres moléculas y podemos pensar en esto si fuéramos a verlo al nivel molecular y no solo a nivel macro podríamos ver qué ocurre esto si tuviéramos un contenedor voy a dibujar un contenedor aquí del lado izquierdo digamos que al inicio hay un grupo de moléculas que están calientes tienen una alta energía cinética tienen una alta energía cinética promedio y del lado derecho del contenedor hay algunas moléculas son el mismo tipo de molécula pero tienen baja energía cinética promedio en promedio tienen una energía cinética baja puede ser que haya algunas con una alta energía cinética pero en promedio tienen una energía cinética baja así vemos que la temperatura aquí es menor mientras que el lado izquierdo tiene una temperatura más alta temperatura más alta ahora qué va a pasar estas moléculas pueden interactuar unas con otras van a rebotar entre sí las moléculas con alta energía cinética van a chocar con las moléculas con baja energía cinética y todas estas moléculas se van a mezclar pero incluso si de alguna manera no se estuvieran mezclando estas moléculas estarían chocando con estas y transfiriendo su momento así que con el paso del tiempo vamos a tener un sistema que se ve algo así donde todas las moléculas van a tener en promedio una energía cinética mediana todavía va a haber diferencias en sus energías cinéticas pero no van a estar divididos de esta manera entre la izquierda y la derecha así que vas a ver todo mezclado y vas a ver que ni las moléculas de la izquierda ni las de la derecha van a tener una temperatura más alta y así cuál es el efecto neto bueno tuvimos una transferencia de energía de las moléculas más calientes a las moléculas más frías y esa energía de la que estamos hablando es el calor utilizamos la letra q para denotar el calor tenemos energía transferida de caliente a frío es estadísticamente improbable rayando en lo imposible pero hay una posibilidad infinitamente pequeña de que suceda que no va a poder ser observada de que suceda en el otro sentido pero eso no es lo que vemos cuando estamos hablando de muchos muchos muchos ni siquiera millones y millones de millones de millones de millones de moléculas vas a ver que los que tienen la energía cinética más alta se mezclan y la transfieren a los que tienen energía cinética baja y es por eso que pudieron decir no vemos ninguna transferencia espontánea de calor de frío a caliente siempre va a ir de caliente a frío
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