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La Termodinámica

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En el mundo hay cosas que suceden solas y otras que no a no ser que se invierta un poco de energía en ellas. Los metales, por ejemplo, se oxidan con el paso del tiempo. Sin embargo, una taza de café nunca se calentaría sola si la dejas reposando sobre la mesa. Y aunque suene escatológico, las leyes que explican por qué el café del desayuno se enfría si tardamos en tomarlo y no al revés son las mismas que explican por qué es imposible construir una máquina térmica de máximo rendimiento y que funcione para siempre o las mismas que sugieren cómo podría ser el fin del Universo que conocemos. Estas son las leyes de la Termodinámica, cuyo planteamiento teórico es tan poco amable que vamos a tratar de presentártelas tal que un friolero desordenado adicto al café las encuentre funcionando en su día a día. 



La Termodinámica

La Termodinámica es la rama de las ciencias físicas que se encarga de describir, básicamente, cómo se intercambia y transforma la energía. Realmente, el nombre le está dado porque en sus inicios se centraba en el funcionamiento de las máquinas térmicas que alimentaban las locomotoras a vapor y cómo se intercambiaban el trabajo y el calor, pero hoy en día eso está desfasado: la Termodinámica sirve para explicar muchísimas cosas más y no importa sólo a los físicos, sino también a los químicos para predecir la dirección en la que suceden las reacciones a determinadas condiciones o a los médicos y biólogos para saber cómo se va a comportar un tejido que quieren conservar bajo congelación. Incluso a ti, aunque tal vez no lo tengas tan presente, te importa la Termodinámica en muchos aspectos.



Antes de nada, comentar que los estudiosos de este campo tienden siempre a delimitar conceptualmente lo que están estudiando, lo que denominan “sistema” y lo separan del resto del Universo, los “alrededores”. Hay sistemas, como las tazas de café o nuestro propio cuerpo, que intercambian tanto energía como materia con sus alrededores y es lo que se conoce como sistemas abiertos. En otros casos, como las latas de cerveza cerradas, intercambian energía pero no materia (hasta que se abren); es lo que se conoce como sistemas cerrados. Y en el caso de que este sistema esté tan bien aislado que no intercambie ni energía ni materia con sus alrededores (como una lata de cerveza dentro de una neverita de playa o un termo de café), entonces hablamos de sistemas aislados. Todo depende de cómo interactúe el sistema con su entorno a nivel de materia y de energía. 



La Termodinámica

No deja de ser interesante que, pese a lo vital que es y lo estudiada que está, nadie sepa definir de forma totalmente satisfactoria qué es la energía, pero lo que sabemos de ella es que se puede presentar bajo numerosas apariencias: radiaciones, vibraciones, desplazamientos, temperatura… todas intercambiables e interrelacionadas pasando de unos cuerpos a otros. El ejemplo más evidente aunque por supuesto no el único es un coche aparcado en una cuesta: Encendido o apagado, el coche tiene una cierta energía potencial que lo hace susceptible de, en el caso de que los frenos fallen, empezar a moverse hacia abajo por acción de la gravedad, momento en el cual esta energía potencial se convierte progresivamente en energía cinética, asociada a la velocidad. En el caso de que estemos conduciéndolo, este coche está transformando la energía química contenida en los hidrocarburos de la gasolina en el movimiento de las ruedas motrices para desplazarse.Este flujo encauzado de la energía química a ejercer un desplazamiento efectivo es lo que se conoce como “trabajo mecánico“, y el flujo de energía que se pierde en dicho proceso y no es aprovechable para esta tarea es lo que se conoce como “calor“. Esta disciplina empezó estudiando precisamente esto: cómo una máquina puede aprovechar al máximo una fuente de energía para ejercer un trabajo mecánico y, al mismo tiempo, minimizar las pérdidas en forma de calor, que son básicamente energía inútil. Podemos conseguir trabajo a partir de calor usando máquinas térmicas, pero estas no son nunca 100% eficaces. Siempre existen pérdidas.



La Termodinámica



Pon atención en que calor y temperatura no son lo mismo, físicamente hablando: la temperatura de un cuerpo es, básicamente, la vibración de los átomos que lo componen; el calor que sentimos es el flujo de esta energía hacia nosotros, de forma que cuando “tenemos calor” lo que sucede es que el medio que nos rodea está cediéndonos parte de la energía que contiene (de la misma forma que, cuando sentimos frío, estamos perdiendo energía). Las personas frioleras, en parte, suelen tener menos tejido graso o menos pelo o piel más fina y, por tanto, son sistemas menos aislados del medio que las rodea: pierden energía más rápido. Y es que el flujo de energía sólo es evitable cuando tanto entorno como sistema están o muy bien aislados o muy bien equilibrados: en el caso que nos ocupa, haría falta que la persona y el ambiente estuvieran a la misma temperatura o separados por un enorme abrigo. 



Con esto ya podemos entender el primer principio de la termodinámica, que dice que la energía de un sistema, sin tener en cuenta cambios de presión o de volumen, depende tanto del calor que pierda o se le proporcione como del trabajo que éste realice o se ejerza sobre él: la energía que entra por la que sale. Puede sonar estúpido, pero si nuestro objeto de estudio es el Universo en sí y, por tanto, estamos hablando de un sistema aislado (ya que suponemos que “fuera del Universo” no hay alrededores que valgan), toda la energía de éste es, en todo momento, la misma. Así, a partir de la perogrullada de que la energía de un sistema depende de cuánta energía le aportes y cuánta energía pierda, deducimos que, en un sistema aislado como es el Universo o un termo de café, la energía ni se crea ni se destruye: tan sólo se transforma; cambia de un lugar a otro y de apariencia, pero es siempre la misma. 



Sin embargo, como también hemos mencionado, siempre que se ejerce o se realiza un trabajo existen pérdidas en forma de calor: parte de la energía se pierde. Además, aún no hemos explicado por qué ésta fluye en una dirección y no en otra. 



La Termodinámica

Es ahora cuando es necesario introducir el segundo principio de la termodinámica, que viene a decir de forma prosaica que, en un sistema en equilibrio, la energía tiende a moverse tal que se alcance un nuevo estado de equilibrio más desordenado, y que, de forma espontánea, nunca fluye tal que el sistema se ordene a sí mismo. Dicho de otra manera: todas las cosas que suceden de forma espontánea en el Universo tienden a desordenarlo un poquito más de cada vez. Para cuantificar este desorden, los físicos utilizan una medida abstracta de éste, que es lo que denominan “entropía” y que cuantifica los posibles estados (las posibles disposiciones de los elementos) en los que se puede encontrar un sistema. Cuantos menos estados posibles existan, más ordenado es que se encuentran los elementos de dicho sistema y, por tanto, menor es su entropía. 



Las moléculas del agua líquida están más ordenadas (su entropía es menor) que las moléculas del vapor de agua en el que se transforman una vez hemos aumentado su temperatura mediante el aporte de calor, desordenándolas (su entropía es mayor). Un cubito de hielo está mucho más ordenado a nivel molecular que el agua líquida, y al tocarlo con nuestras manos, nosotros cedemos energía accidental e irremediablemente para desordenarlo un poco más. El calor siempre va desde los cuerpos de mayor temperatura a los de menor. Es la ley que estabas esperando para explicarle a tu madre por qué, a pesar de los esfuerzos invertidos en ordenar tu habitación, vuelve a estar hecha un maldito desastre. El mundo tiende termodinámicamente a desordenarse si se le deja, y en todos estos procesos parte de la energía se pierde en forma de calor residual. Esta es la razón por la que no existen las máquinas de movimiento perpetuo, que tantos quebraderos de cabeza ha dado a los frustrados ingenieros que las han buscado durante nueve siglos sin conseguirlas: la energía se acaba disipando siempre. 



La Termodinámica

Todo lo que veas ordenado (un castillo de naipes, tu habitación, una molécula de azúcar o la estructura celular de tu cerebro) ha requerido aportes de energía para construirse y mantenerse, hasta el punto de que puede parecer que los seres vivos violamos la segunda ley de la termodinámica, aunque en realidad nos mantenemos ordenados a costa de desordenar nuestro entorno hasta que morimos. En este momento, perdemos la capacidad de absorber y administrar la energía que tomamos del entorno y de emitir calor y los átomos que nos componen se diseminan y desordenan. También puede parecer que los congeladores y los frigoríficos violan estos principios, ya que enfrían cosas, pero para ello realmente absorben el calor de los cuerpos que se guardan dentro de ellos y, para eso, gastan energía en forma de trabajo mecánico. La termodinámica sigue funcionando con ellos. 



Quedan otras dos leyes por enunciar, pero tal vez no te impresionen tanto. El principio cero (que fue el último de todos en enunciarse) parte de la comparación entre caliente y frío y es importante para la construcción de escalas y herramientas para medir la temperatura: si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces los dos primeros están también en equilibrio térmico entre sí (es decir, su temperatura es la misma). Una perogrullada total, cierto, pero es la razón por la que nuestra piel no es un buen termómetro: sólo detectamos como caliente algo que esté a una mayor temperatura que la parte del cuerpo con la que lo estamos tocando y frío algo que esté a una temperatura menor. Basta que tengamos una mano caliente y la otra mano fría para no saber qué sensación nos produce un objeto que toquemos con ambas a la vez (prueba a hacer el experimento con masas de agua a diferentes temperaturas). 



La tercera ley de la termodinámica marca un tope de temperatura por debajo de la cual no se puede bajar, el cero absoluto (unos -273,15 ºC), incapaz de alcanzarse, ya que significaría el reposo total de las moléculas y los átomos, la carencia total de energía en un cuerpo. En condiciones experimentales se ha estado bastante cerca de alcanzar a esta temperatura, pero nunca se ha llegado, ni se llegará ni se bajará de ella. 



Nada vence a las leyes de la termodinámica, que rigen tanto nuestro desayuno como la vida (y muerte) de las estrellas; ninguna reacción química sucede si es termodinámicamente desfavorable, y si ocurre (como la fotosíntesis) es porque está recibiendo un préstamo de energía para suceder. Algunas reacciones, de hecho, sólo ocurren cuando los reactivos están a una temperatura determinada. La cal con la que se pintan las paredes de las casas en los pueblos andaluces, por ejemplo, se obtiene calentando la roca caliza (que es, básicamente, carbonato de calcio) en un horno a altísimas temperaturas; en estas condiciones, el carbonato de calcio se descompone formando la cal (óxido de calcio) y dióxido de carbono, algo que nunca le sucede a una roca caliza a temperatura ambiente.



La Termodinámica

El Universo parece estar condenado por estas reglas del juego. Las estrellas no pueden emitir energía en forma de luz y calor eternamente: su combustible, la fusión nuclear de átomos pequeños, deja de servir conforme se agotan los elementos ligeros y las estrellas se acaban colapsando y estallando; dentro de cientos de billones de años, el espacio probablemente sea un cementerio lleno de agujeros negros, estrellas de neutrones y enanas blancas, resultado de la muerte de las actuales estrellas. Los agujeros negros engullirán todo lo que tengan cerca y, finalmente, se evaporarán. La entropía triunfará y el Universo habrá quedado térmicamente muerto. Al menos es lo que sostienen muchos físicos. Pero no te agobies: tu vida es una fracción de suspiro en comparación con todo el tiempo que falta. Disfruta, friolero desordenado, de tu café caliente por las mañanas y del caótico carnaval que es el Universo en el que te ha tocado vivir, en el que unas cosas suceden solas y otras no, bajo las siguientes reglas: la energía no se crea ni se destruye, se pierde siempre en cierta medida en forma de calor en todos los trabajos y fluye espontáneamente hasta poner a la misma temperatura los cuerpos calientes y los fríos, que nunca se enfrían del todo.





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