Los Pseudorevolucionarios Científicos Mario I. Caicedo Departamento de Física, Universidad Simón Bolívar Apartado 89000. Caracas, Venzuela En estos días, mientras leía el periódico digital en mi teléfono y hablaba con algunos compañeros profesores y estudiantes de la USB, saltó a mí vista el siguiente título Derrumban Segunda Ley de la Termodinámica por EUDES VERA | EL UNIVERSAL | viernes 21 de septiembre de 2012 12:00 AM. Mis ojos salieron de sus órbitas. ¡No lo podía creer! Otro papanatas. Pensé, esto nunca va a terminar, siempre aparecerá un nuevo genio matemático que cuadró el círculo u otro ¨ingeniero¨ que construyó una máquina que produce energía gratis. De todas maneras y solo para enterarme de cuál era la contribución del nuevo genio, continué leyendo mientras intentaba contener la inevitable subida de tensión arterial El investigador venezolano, Luís Solórzano, nativo de Tucupido, estado Guárico, egresado de la UCV como ingeniero electricista en 1967, inventor del Motor de Aire y de la Turbina Térmica de Perfiles, acaba de demostrar experimentalmente en su laboratorio, ubicado en la ciudad de Miami, que la Segunda Ley de la Termodinámica no es en realidad una ley, es decir, no se cumple, en el caso de la Turbina Térmica de Perfiles. En efecto, en un reciente reporte de avance, Solórzano muestra que al utilizar una TTP de 8 perfiles con un flujo de aire de 23 m/s, y al aplicarle una potencia de entrada de 3 W se obtiene una potencia generada útil de 130 W, a una velocidad rotacional de 900 rpm. Este resultado, perfectamente comprobable y reproducible por lo demás, es imposible según la Segunda Ley de la Termodinámica. En efecto, esta ley, postulada en 1851 por el físico británico Lord Kelvin, descarta la posibilidad de construir un móvil perpetuo de segunda clase. Este tipo de cosas me saca de mis casillas. La comunidad científica se cuida muchísimo de chequear cada uno de sus resultados una y otra vez tratando de refutarlos de todas las maneras posibles y la segunda ley de la termodinámica, sin escapar de ese escrutinio, es uno de los principios mejor establecidos de la física. Pero, ¿qué es la segunda ley de la termodinámica? En los términos más sencillos, la segunda ley decreta que no es posible construir una máquina que haga trabajo sin usar alguna fuente de energía. Puesto de manera aún más elemental, la segunda ley establece que ustedes, estimados lectores, nunca podrán comprar un auto que no requiera algún tipo de combustible para funcionar. La historia de la ciencia está llena de crónicas en que paradigmas enteros, muy bien establecidos, son cambiados por otros en lo que Thomas Kuhn denomina Revoluciones Científicas. La ley de inercia, por ejemplo, acabó con la física aristotélica, mientras que la física cuántica y la teoría de la relatividad dieron cuenta de la mecánica de Newton. La historia de la ciencia también está llena de casos en los que chapuceros y embaucadores de todo tipo pretenden haber hecho descubrimientos imposibles como la creación de la piedra filosofal. Afirmaciones del estilo ¨destruí la segunda ley¨ han ocurrido una y otra vez. Mi rechazo ante una de estas afirmaciones suele ser bastante enérgico, por decir lo menos, y cuando ocurre frente a un lego su reacción suele ser la siguiente "…claro Mario, tú no eres como este súper genio a quien darán el premio Nobel y te da envidia¨. Con el fin de poder continuar con este escrito debo aclarar que, en efecto, soy un tipo totalmente normal, no soy un genio y jamás ganaré el Premio Nobel o cualquier otro. No me dan envidia los genios auténticos. Estoy perfectamente consciente de que nunca podría ser como ellos, los respeto y admiro profundamene, ¿quién no respeta a un Miguel Ángel?, ¿a un Galileo?, ¿a un Cervantes?, ¿a un Hume?, ¿a un Bach? Pero soy un físico y en la práctica eso de ser un físico, significa que me dedico a estudiar – entre muchas otras cosas- concienzudamente y a través del método científico, las razones por las cuales la segunda ley de la termodinámica no puede ser violada. El objetivo de escribir este artículo es exponer esas razones a aquellos que, por no ser cercanos a la física, las desconocen Permítaseme comenzar por decir que la segunda ley de la termodinámica data de la segunda mitad del siglo XIX. Uno de sus enunciados originales se debe al alemán Rudolph Clausius y fue publicado en 1854. Otra formulación le pertenece al británico William Thomson, conocido como Lord Kelvin, quien es mencionado en el artículo del Universal que ya cité y que me indujo a escribir estas líneas. Los dos enunciados son los siguientes «Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura» Enunciado de Clausius «Es imposible todo proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de energía en forma de calor procedente de un foco térmico (o reservorio o depósito térmico), y la conversión de toda ésta energía en forma de calor en energía en forma de trabajo». Enunciado de Lord Kelvin Desde el punto de vista psicológico es evidente que principios expresados de esta manera son algo molestos. Se leen como decretos de incompetencia ¨usted no puede hacer esto o aquello¨. Soy el primero en admitir que la segunda ley presentada en esta forma suena a reto, da la impresión de que se habla por hablar y dan unas ganas terribles de demostrar que uno si es capaz de conseguir los procesos de que se habla allí. Ahora bien, hay dos postulados con el mismo nombre ¨segunda ley de la termodinámica¨, si uno no estudia el tema con cierto cuidado ambos lucen diferentes. Se puede jugar un rato con el intelecto para descubrir que los enunciados son rigurosamente equivalentes. Eso de la equivalencia significa lo siguiente. Si el postulado de Clausius es cierto, el de Kelvin tiene que ser cierto y viceversa, es decir, el postulado de Kelvin implica a su vez el de Clausius. La demostración de la equivalencia es a través de un razonamiento matemático estándar que no voy a reproducir acá pero invito a los lectores interesados a consultar cualquier libro de física de nivel universitario para revisar la demostración por sí mismo. Es importante llamar la atención sobre el hecho de que cualquiera de los dos enunciados parece sacado de la nada, no hay ninguna construcción teórica previa de la que se deriven. En efecto, para la época en que se formularon los enunciados de Clausius y Lord Kelvin, la segunda ley de la termodinámica no era otra cosa que la declaración oficial de que -hasta aquel momento- nadie había podido construir un móvil perpetuo, lo que evidentemente induce la tentadora pregunta ¿y si yo sí puedo?. Figura 1. Dos ejemplos de móviles o máquinas perpetuas. Ninguna de estas máquinas puede si quiera moverse Asociada a la segunda ley se define una cantidad termodinámica denominada entropía (S). En términos de S la segunda ley establece que, para un sistema aislado la entropía nunca decrece. Este enunciado es equivalente a los enunciados de Clausius y Lord Kelvin y no añade mayor información a lo que nos interesa aclarar acá: ¿por qué no podemos violar la segunda ley? Afortunadamente, gracias al proceso científico de construcción del conocimiento, existe otra manera de enunciar la segunda ley. En esta nueva formulación se descubre que la segunda ley es de naturaleza estadística. Debido a este carácter, la validez de la segunda ley de la termodinámica está por encima de la forma en que interactúan los sistemas físicos que se consideren. Es decir, es independiente de las leyes de fuerza. Vale para las interacciones electromagnéticas, nucleares e incluso para la gravitación. La formulación moderna de la segunda ley se debe a Ludwig Eduard Boltzmann (20, feb 1844 – 5, sept 1906), quién introdujo la noción estadística de entropía a través de la famosísima fórmula S=k log(W) Donde W es una medida del desorden de un sistema físico y k (1.3806488(13)×10−23 J K-1) es una constante universal. Sé que las formulitas tienden a confundir y por eso dejaré totalmente de lado la definición matemática de la entropía. Baste decir que la segunda ley establece que el desorden de un sistema abandonado a su suerte nunca se reduce. Fig 2. La tumba de Boltzmann en Viena. Note el bajo relieve con la definición estadística de la entropía Lo que en verdad queremos es entender el significado de la segunda ley y para hacerlo les pediré que me acompañen a considerar un conjunto de experimentos mentales sumamente simples. Comencemos por pensar en una bolsita que contiene dos bolitas de vidrio (nuestras criollísimas metras). Si la bolsita se rompe y las metras se salen, recoger las metras y meterlas en una bolsita nueva resulta un ejercicio bien fácil. Imaginemos ahora una bolsita con cuatro metras y figurémonos que, de nuevo, la bolsita se rompe. Una vez más devolver las metras a una bolsita nueva es bastante sencillo. En los dos experimentos anteriores ocurrió algo de interpretación bien asequible. Los sistemas formados por dos o cuatro metras se desordenaron y devolverlos a sus configuraciones originales resultó muy simple. En el lenguaje de la física, ambos eran sistemas de baja entropía Sigamos jugando con nuestras mentes y consideremos ahora una bolsita que contiene inicialmente 100 metras. Al romperse la bolsa las metras rodarán por el piso de la habitación y nos vamos a ver en apuros para poder meterlas de regreso en una bolsita nueva (el reordenamiento se complica bastante). Continuemos con estas imágenes. Mil metras, diez mil metras, cien mil metras. El desorden es cada vez más grande, la entropía de cada uno de estos sistemas crece considerablemente con el número de metras, y consecuentemente el esfuerzo de reordenar se vuelve cada vez mayor, al punto de hacerse virtualmente imposible reordenar las metras. ¿Seguimos la idea? Pues bien, en nuestro rol de científicos, estudiantes de experimentos mentales, hemos encontrado el contenido estadístico de la segunda ley de la termodinámica. Un sistema abandonado a su suerte tiende a desordenarse. En el caso general, entre mayor sea el desorden más difícil es reordenar el sistema. En nuestros ejemplos concretos encontramos que, entre mayor es el número de metras que se desparraman es más difícil reordenarlas. Fig 3. Orden/desorden, las moléculas de dos gases diferentes son colocadas en dos recipientes separados por una pared. La pared se retira y se mezclan las moléculas. Es perfectamente posible que el movimiento de las moléculas las lleve de nuevo a los volúmenes que ocupaban inicialmente. Pero ¿Qué chances hay de que ocurra tal cosa? La formulación de la segunda ley en términos de entropía establece, de manera un tanto técnica pero definitiva, que los sistemas evolucionan espontáneamente hacia el desorden. En relación a esto y a una implicación casi directa de la segunda ley -que discutiré más adelante- debo mencionar uno de los ejemplos más simpáticos que he visto. Lo aprendí en el Vol. 5 de física de la serie Berkeley (Física Estadística) hace casi 30 años. El ejemplo es el siguiente. Se filma un huevo que cae y se rompe derramando su contenido por el piso. Se proyecta la película y evidentemente es posible distinguir si la proyección se hace en el orden temporal correcto: huevo íntegro----> huevo roto ó en el orden inverso huevo roto ---> huevo íntegro. Desde el punto de vista de las leyes de interacción nada impide que los trozos del huevo se recojan a sí mismos espontáneamente. Sin embargo, es bastante evidente que tal cosa ¨no ocurrirá¨. En verdad si podría ocurrir, el punto es que es fantásticamente improbable. Fig 4. Aumento de la entropía y segunda ley. ¿Qué es más ordenado, un huevo íntegro o un huevo roto? Eso es lo que establece la segunda ley. Los procesos que ocurren espontáneamente llevan el orden al desorden. Las metras se riegan, los líquidos se derraman, usted envejece, etc. Los procesos de reordenamiento ocurren con probabilidades que disminuyen salvajemente con el número de partículas que forman al sistema. A esta altura de la discusión debería resultar evidente que si un sistema formado por 100.000.000.000.000.000.000.000 (=1023) partículas se desordena es prácticamente imposible que ocurra un reordenamiento espontáneo. Podría en efecto suceder pero el tiempo esperado para que tal reordenamiento ocurriera sería mucho mayor a la edad del universo. Si la imagen de las metras y las partículas les ha parecido algo abstracta piensen en el siguiente experimento. Desordenen su habitación lanzando toda la ropa al suelo y siéntense a esperar que la ropa vuelva sola a sus cajones y ganchos ¿ocurrirá sin intervención? De mucho mayor interés es la implicación directa de la segunda ley a la que hice referencia al comenzar el ejemplo del huevo. La segunda ley de la termodinámica define la dirección del tiempo. La flecha de tiempo está signada por la evolución espontánea de orden a desorden, el universo es un sistema aislado y por lo tanto su entropía seguirá aumentando. Parecemos habernos alejado bastante de la crítica acérrima con la que comencé este artículo. Metras, ropa regada, huevos rotos, etc. No parecen cosas muy relacionadas con el motor que genera energía gratis. ¿Qué tiene que ver la tendencia de los sistemas a desordenarse con la imposibilidad de obtener energía de la nada? Pues bien, se puede demostrar rigurosamente que el principio de desordenamiento espontáneo (no disminución de la entropía de un sistema libre) es equivalente a la formulación de Clausius de la segunda ley de la segunda ley. Habíamos mencionado que el postulado de Clausius es lógicamente equivalente al de Lord Kelvin y dijimos que este a su vez es equivale a decir que no se puede construir la máquina perpetua. Así que en definitiva: El principio de desordenamiento espontáneo es equivalente a la imposibilidad de construir un móvil perpetuo. En resumen, la afirmación de que la Turbina Térmica de Perfiles es capaz de generar potencia a partir de la nada tiene que ser necesariamente falsa. Eudes Vera autor del artículo del Universal reporta lo siguiente ¨Como integrante del equipo de investigación encabezado por Luis Solórzano, he podido reproducir utilizando turbinas no óptimas, en nuestro capítulo de Barcelona, los siguientes valores: potencia de entrada: 16,65 W; potencia de salida: 16,67 W¨. El reporte del Ing. Vera no es capaz de superar el más mínimo examen de la comunidad científica, las mediciones carecen de la estimación del error experimental. Eso significa que debemos tomar las cifras significativas como único parámetro posible para leer los resultados. En consecuencia, podemos aseverar que el mismísimo informe del Ing. Vera demuestra que no hay absolutamente ninguna ganancia de potencia a la salida del motor ya que las mediciones de potencia de entrada y salida son, en el mejor de los casos, iguales hasta el número de cifras significativas. De todas formas, si alguno de ustedes sigue realmente convencido de la gloria del descubrimiento de la violación de la segunda ley, le recomiendo que lo aproveche para no volver a hacer deberes domésticos y disfrutar de la enorme cantidad de tiempo libre que va a tener a su disposición, ya que la violación a la segunda ley implica que su hogar se puede reordenar espontáneamente sin mayor problema. El mundo de la ciencia está lleno de charlatanes y timadores que tratan de penetrarlo y corromperlo. Hay problemas que interesan a toda clase de pseudocientíficos. Uno de ellos es por supuesto el de construcción de máquinas perpetuas. Otro, el famoso problema de la cuadratura del círculo ¨dado un círculo, tratar de construir a través de un número finito de operaciones, un cuadrado que tenga un área equivalente, utilizando únicamente regla y compás¨. Los griegos se burlaban de quienes se abocaban a intentar resolver este problema. Pero no fue sino hasta 1882, año en que el matemático alemán Carl Louis Ferdinand von Lindemann (12 de abril de 1852 – 6 de marzo de 1939) publicó una demostración de que π (pi) es un número trascendente (un número es trascendente si no existe un polinomio de coeficientes racionales del cual sea raíz), que quedó totalmente claro que la empresa de cuadrar el círculo es imposible. Tal imposibilidad perfectamente bien establecida no detiene a una miríada de maníacos con delirios de grandeza que intentan –infructuosamentecuadrar el círculo. Un caso famoso es el del proyecto de ley de pi de Indiana (The Indiana Pi Bill) nombre con el que se conoce a la propuesta #246 del año 1897, que aún espera para su discusión en la asamblea legislativa del estado de Indiana en USA. En ese año un médico de poca monta llamado Edwin J. Goodwin, quién se consideraba a sí mismo un gran matemático, convenció a un asambleísta a presentar un proyecto de ley que beneficiaría enormemente al estado de Indiana, pues le permitiría al estado cobrar derechos por el uso del método de cuadrar el círculo. En términos concretos, la genialidad del Señor Goodwin es equivalente a establecer un valor de 3,2 para π y de 1,429 para la raíz cuadrada de 2. Gracias, entre otras cosas, a la acción del Profesor C. A. Waldo de la Universidad de Purdue, quién declinó una amable oferta de ser presentado al genio de Indiana diciendo que, él ya conocía tantos locos como le era posible soportar, el proyecto se detuvo salvando a Indiana de uno de los ridículos intelectuales más grande de la historia. Quizá el problema de los genios que acaban con los principios de la ciencia encerrados en sus laboratorios y garajes personales esté relacionado con un hecho sociológico que me ha parecido notar. A todos nos da vergüenza decir que leemos poco o que no conocemos la obra de Beethoven o el nombre de Picasso. Sin embargo, son pocas las personas que no se preocupan por ignorar todo con respecto a la ciencia o tratarla con sobre simplificaciones y mitologías absurdas y ridículas. Al fin y al cabo, según ellos, la ciencia es cosa de ¨nerds¨, gentes aburridas que no saben como divertirse y que se dan ínfulas por sus conocimientos. Esa posición induce un enorme irrespeto psicológico hacia los métodos de la ciencia, permitiendo a algunos osados pensar que pueden irrumpir desde su ignorancia y cambiar todo de un plumazo. Quiero cerrar recordando que la ciencia está en revisión permanente, uno de los objetivos principales de la ciencia es descubrir los propios errores, solo de esta manera se puede avanzar. En esta búsqueda constante de perfeccionamiento, la comunidad científica es su tremendamente autocrítica al punto de ser acérrima. Cada uno de sus miembros es entrenado larga y cuidadosamente para dudar de todos y cada uno de los principios científicos bien establecidos. Esa crítica y revisión requieren de metodologías que los destructores facilistas de la ciencia jamás entenderán. Si tú querido lector deseas atacar las leyes de la ciencia únetenos, estudia una disciplina científica, critica la ciencia desde adentro. Quizá seas un Galileo, un Einstein, un Bohr, un Darwin o un Pasteur y encuentres grietas enormes en el conocimiento canónico que te permitan crear verdaderas revoluciones intelectuales. Bibliografía E. Fermi. Termodinámica.Manuales EUDEBA, Buenos Aires, Argentina, 1970 Kerson Huang. Statistical Mechanics 2nd edition. John Wiley and Sons, 1987. ISBN 0-471-81518-7 Thomas S Kuhn. The Stucture of Scientific Revolutions . The University of Chicago Press, 2012 ISBN-10 0-226- 45812-1 Frederic Reif. Statistical Physics: Berkeley Physics Course, Vol. 5. Mc Graw Hill Education, INDIA. ISBN 0070667322, 9780070667327
