La Entropía (Termodinámica)

Entropía (termodinámica)
En Física la entropía es la magnitud termodinámica que mide la parte de la energía que no puede utilizarse
para producir un trabajo. En un sentido más amplio se interpreta como la medida del desorden de un sistema.
Es una función de estado de carácter extensivo y su valor en un sistema aislado crece en el transcurso de un
proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o
transformación.
Esta idea fue plasmada mediante una función ideada por Clausius a partir de un proceso cíclico reversible. En
todo proceso reversible la integral curvilínea de
sólo depende de los estados inicial y final, con
independencia del camino seguido. Por tanto ha de existir una función de estado del sistema, S = f(P,V,T)
denominada entropía, cuya variación en un proceso reversible entre los estados 1 y 2 es:
Tenga en cuenta que como el calor no es función de estado se usa δQ en lugar de dQ.
La entropía física, en su forma clásica, es definida por la ecuación
o más simplemente, cuando no se produce variación de temperatura (proceso isotérmico):
donde S es la entropía,
la cantidad de calor intercambiado y T la temperatura en grados absolutos
(grado Kelvin). Los números 1 y 2 se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema termodinámico.
El significado de esta ecuación es el siguiente:
Cuando un sistema termodinámico pasa del estado 1 al estado 2, el cambio en su entropía es igual al
cambio en su cantidad de calor dividido por su temperatura.
Las unidades de la entropía en el Sistema Internacional es el J/K (o Clausius) definido como la variación de
entropía que experimenta un sistema cuando absorbe el calor de 1 Julio (unidad) a la temperatura de 1 Kelvin.
Sólo se pueden calcular variaciones de entropía. Para calcular la entropía de un sistema es necesario fijar la
entropía del mismo en un estado determinado. La tercera Ley de la Termodinámica fija un estado estándar
para sistemas puros: en el cero absoluto (0 K) la entropía es nula.
Esta magnitud permite definir la Segunda Ley de la Termodinámica, por el que un proceso tiende a darse de
forma espontánea en un cierto sentido solamente. Por ejemplo, un vaso de agua no empieza a hervir por un
extremo y a congelarse por el otro de forma espontánea, aun cuando siga cumpliéndose la condición de
conservación de la energía del sistema (Primera Ley de la Termodinámica).' Por tanto, otra manera posible de
interpretar esta magnitud es aquella que reza:
El tiempo, como nosotros lo conocemos, es la dirección en que la entropía global del sistema crece.
Tabla de contenidos
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1 Entropía y reversibilidad
2 Interpretación estadística de la entropía
3 Entropía y desorden
4 Entropía y la muerte
5 Relación de la entropía con la Teoría de la información
Entropía y reversibilidad
La entropía global del sistema es la entropía del sistema considerado más la entropía de los alrededores.
También se puede decir que la variación de entropía del universo para un proceso dado es igual a su variación
en el sistema más la de los alrededores:
ΔSuniverso = ΔSsistema + ΔSalrededores
Si se trata de un proceso reversible, ΔS (universo) es cero pues el calor que el sistema absorbe o desprende es
igual al trabajo realizado. Pero esto es una situación ideal, que no se da en la naturaleza. Por ejemplo, en la
expansión isotérmica (Proceso isotérmico) de un gas, considerando el proceso reversible, todo el calor
absorbido del medio se transforma en trabajo y Q=W. Pero en la realidad el trabajo es menor, hay pérdidas
por rozamientos, esto es, los procesos son irreversibles. Para devolver al sistema a su estado original hay que
aplicarle un trabajo mayor que el producido por el gas, dando como resultado una formación de calor hacia el
entorno, con un aumento de la entropía global.
Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre aumentará la entropía. Así como la energía no
puede crearse ni destruirse, la entropía puede crearse pero no destruirse. Podemos decir entonces que
"como el Universo es un sistema aislado, su entropía crece constantemente con el tiempo". Esto marca un
sentido a la evolución del mundo físico, que llamamos "Principio de evolución". Cuando la entropía sea
máxima en el universo, esto es, exista un equilibrio entre todas las temperaturas y presiones llegará la muerte
térmica del Universo (Clausius). Toda la energía se encontrará en forma de calor y no podrán darse
transformaciones energéticas.
Interpretación estadística de la entropía
En los años 1890 - 1900 el físico austriaco Ludwig Boltzmann y otros desarrollaron las ideas de lo que hoy se
conoce como mecánica estadística, teoría profundamente influenciada por el concepto de entropía.
Según estas ideas, la entropía queda definida por la ecuación
Donde S es la entropía, k la constante de Boltzmann y Ω el número de microestados posibles para el
sistema.(ln es la función logaritmo natural)
La célebre ecuación se encuentra grabada sobre la lápida de la tumba de Boltzmann en el Zenmtralfriedhof de
Viena, quien se suicidó en 1906, profundamente deprimido por la poca aceptación de sus teorías en el mundo
académico de la época.
El significado literal de la ecuación es el siguiente:
La cantidad de entropía de un sistema es proporcional al logaritmo natural de su número de microestados.
Ahora bien, su significado final es aún materia de discusión en física teórica, dado el profundo alcance que
posee.
Los Principios de la Termodinámica se podrían definir, de forma "jocosa" como:
No podemos ganarle el partido a la Entropía (Primer principio)
Tampoco podemos empatar (Segundo principio)
Y tampoco podemos abandonar el partido (Tercer principio)
Entropía y desorden
Se tiende a interpretar entropía como una medida del desorden en un sistema. Al ordenar una habitación
totalmente desordenada, esto es, lo más homogénea posible (calcetines con discos, ropa en todos los lugares
posibles, etc) es necesario un consumo de energía mecánica para transportar los objetos de un lugar a otro. Si
esta energía es aportada por una persona, hay un aumento de entropía global en cuanto la energía consumida
es obtenida mediante los alimentos. Al ingerir un alimento tranformamos algo ordenado (manzana) en algo
totalmente desordenado (heces y dióxido de carbono). Aunque consumamos alimentos totalmente tritutrados
y homogéneos, microscópicamente tiene una estructura más compleja que el resultado de la digestión y
respiración.
Como de forma natural todo tiende al desorden, para mantener una habitación ordenada es necesario el aporte
de energía proveniente de un desorden externo. De forma natural la habitación tenderá al desorden si no lo
evitamos. Así, una habitación adolescente, donde cada calcetín está en un rincón, puede ser considerada más
ordenada para el ocupante si éste conoce el lugar donde encontrar la prenda en cuestión; más ordenada que si
sus padres se dedican a "organizarla" de una manera distinta, desconocida, incluso críptica. Está claro que
macroscópicamente "el orden" es algo subjetivo: mientras a los padres les parece desordenado, al hijo le
parece que está ordenado. La multiplicidad de opciones donde encontrar el calcetín aumenta porque el
adolescente no sabrá dónde buscar (¿en el armario o en los cajones?, ¿o quizás en la mesilla?) con lo que la
entropía parece que habrá aumentado, no disminuido. Pero queda claro que si el adolescente no quiere estar
cambiando continuamente sus esquemas mentales, ha de mantener "ese orden" establecido, y si no deja las
cosas donde él sabe encontrarlas, el desorden de forma espontánea irá aumentando. Si al coger un disco lo
deja en otro lugar distinto de donde habitualmente lo tiene, llegará un momento en el que desconozca donde
están las cosas o necesite un gran esfuerzo memorístico para encontrarlas, con lo que habrá aumentado la
entropía. Es necesario un gasto energético para mantener "ese orden" con un aumento de desorden fuera de la
habitación (alimentos).
Al disminuir localmente la entropía de un sistema cerrado y aislado se producirá un aumento en otra región,
con lo que el balance global será siempre positivo.
Entropía y la muerte
Es posible explicar la muerte mediante la entropía. Como se ha dicho, la entropía se puede interpertar como
un aumento del desorden. Un ser vivo se puede considerar un sistema altamente ordenado, donde la materia se
encuentra en una estructura muy heterogénea y compleja. Al envejecer, las células pierden la capacidad de
mantenerse ordenadas, de conformar un cuerpo con partes bien diferenciadas; se va produciendo un desorden
del cuerpo. Para mantener ese orden necesitan la información que se encuentra en el ADN, pero ésta es una
molécula extremadamente ordenada que tiende a desordenarse (perdiendo la información almacenada) con
cada mitosis celular (duplicación celular).
Únicamente las células cancerígenas son capaces de duplicarse sin la más mínima pérdida de información en
su ADN, pero por otro lado pierden la capacidad de mantenerse ordenadas en el lugar que deben ocupar y de
realizar las funciones que le son naturales. Así en un cáncer de pulmón, las células cancerígenas pueden
establecerse en partes del cuerpo no destinadas a ellas, como el hígado: en el cáncer se produce un aumento
de la entropía, más aún al producir la muerte del individuo.
El cuerpo para mantener su orden consume energía de forma constante, aumentando la entropía del entorno al
consumir alimentos y agua dulce (de menor entropía que la orina). Al morir, el cuerpo sigue siendo una
estructura relativamente ordenada, que rápidamente (al no consumir energía) se desordena transformándose
en moléculas más sencillas (descomposición). Se podría decir que la vida es un conjunto de elementos
químicos que se encuentran de forma ordenada, y que para mantener ese orden necesitan consumir energía o
moléculas con poca entropía. Con la muerte, de forma natural y espontánea, aumenta considerablemente la
entropía. La muerte es una consecuencia de que todos los procesos naturales tienden a un aumento de la
entropía.
Relación de la entropía con la Teoría de la información
Recientes estudios han podido establecer una relación entre la entropía física y la entropía de la teoría de la
información gracias a la revisión de la física de los agujeros negros. Según la nueva teoría de Jacob D.
Bekenstein el bit de información sería equivalente a una superficie de valor 1/4 del área de Plank.
Los agujeros negros almacenarían la entropía de los objetos que engulle en la superficie del horizonte de
sucesos. Stephen Hawking ha tenido que ceder ante las evidencias de la nueva teoría y ha propuesto un
mecanismo nuevo para la conservación de la entropía en los agujeros negros.
Simplemente, al realizar un trabajo, se ocupa muy poca energía; la entropía se encarga de medir la energía
que no es usada y queda reservada en un cuerpo.
La entropía solo mide sistemas