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• Francisco Alomia

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5 DEL ORDEN AL DESORDEN ENTROPÍA O LA DEGENERACIÓN DE LA ENERGÍA Las reglas impiden el desarrollo del pensamiento creativo, precisamente porque siempre parecen correctas. Albert Einstein.

INTRODUCCIÓN

Sabemos que es prácticamente imposible recolectar todas las partes de un huevo que cae y se rompe en el piso de la cocina, para formar uno nuevo. Nuestras habitaciones, escritorios y oficinas siempre se desordenan en el transcurso de un día, a pesar de nuestros esfuerzos por mantenerlos ordenados. A medida que envejecemos, notamos que nuestras facultades y habilidades van desmejorando. La primera ley de la termodinámica llamada también de la conservación de la energía, que vimos en el capítulo anterior, no menciona para nada el hecho de que las cosas tienen necesariamente que degenerarse con el paso del tiempo. La energía que se gasta para desordenar el dormitorio es la misma que se usa para arreglarlo. Existe una tendencia natural para que las cosas tiendan hacia el desorden y esta direccionalidad de la naturaleza puede ser reconocida en todos los procesos que se producen en nuestro mundo y en el Universo. La tendencia normal de todo proceso es cambiar de un estado improbable a uno más probable, esto significa que existe una dirección para la evolución del Universo. Desde el punto de vista de la energía, no hay razón para que no ocurran situaciones improbables. Como vimos en los capítulos anteriores, los científicos del siglo XIX estudiaron el calor y el movimiento de los átomos y de las moléculas y descubrieron las razones que explican esta direccionalidad de la naturaleza, que se llama la ciencia de la termodinámica; pero especialmente su segunda ley, también llamada de la entropía; lo que veremos en este capítulo.

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LA DIRECCIÓN DE LA EVOLUCIÓN

Las dos leyes de la termodinámica

Los principios de la termodinámica se pueden resumir en dos leyes que tienen gran importancia y aplicación en amplios sectores de la ciencia y que son aplicables en todo el Universo y no sólo al diseño y construcción de máquinas térmicas. La primera Ley de la termodinámica, que vimos en el capítulo anterior, se conoce también como ley de conservación de la energía y dice que la energía total de un sistema cerrado permanece constante. La segunda ley de la termodinámica, también llamada la ley de la entropía, es sin duda la más importante y permite cuantificar el desorden que hay en el Universo o en un sistema cerrado.

La direccionalidad de la entropía Podemos visualizar la direccionalidad de la entropía hacia el desorden con el siguiente ejemplo: al colocar en una habitación cerrada una refrigeradora con la puerta abierta y el motor funcionando, la habitación se calentará porque la energía que disipa el motor al calentarse será mayor que el trabajo refrigerante del frigorífico abierto. Dice Gribbin en su libro Introducción a la ciencia que, algún bromista resumió los significados de la segunda ley de la termodinámica, en términos coloquiales de la manera que aparece a continuación.

Los cambios Uno de los fenómenos más interesantes del Universo y de nuestro mundo, es que los cambios se producen constante y espontáneamente. Sabemos muy poco sobre cómo se producen y cuáles son las fuerzas y condiciones que desatan estos cambios. Cambios que a veces se convierten en verdaderas catástrofes naturales que acaban con gran cantidad de especies de nuestro planeta. En este capítulo vamos a explorar y tratar de explicar el porqué de muchos de estos cambios, cuál es la dinámica de los mismos, qué circunstancias los desatan y cuáles son las leyes que rigen estos procesos de cambio.

¿Por qué? En esta investigación vamos a entender ¿Por qué un plato de sopa caliente se enfría en poco tiempo? o ¿Por qué cuando se abre una puerta o ventana, el aire caliente del interior fluye hacia afuera? El calor siempre fluye espontáneamente hacia donde está más frío y no es el frío el que entra a los cuartos y los enfría.

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Los significados de la segunda ley No se puede ganar: esto significa que en todo proceso natural y en las actividades humanas, nunca podemos sacar más de lo que ponemos en trabajo; energía o insumos de cualquier tipo. Aun cuando se crea orden en algún lugar, en otro lugar se está gestando un desorden mayor al orden que se crea. No se puede ni siquiera empatar: quiere decir que siempre perdemos en los procesos termodinámicos, lo que sacamos es siempre menor de lo que ponemos; en otras palabras, no existe una comida gratis. No se puede abandonar el juego: significa que aun sin hacer absolutamente nada perdemos, no hay forma de evitar perder. Los procesos de degeneración, desorden y muerte son automáticos, no tienen que iniciarse en cierto momento sino que están en todo momento funcionando hacia la degeneración y el desorden.1

Las máquinas térmicas También vamos a comprender cómo funcionan los motores, también llamados máquinas térmicas, que han sido los instrumentos fundamentales para generar el desarrollo industrial y tecnológico; es decir, para crear orden; sin embargo, son los principales causantes de la contaminación y polución que tenemos en la mayor parte del planeta; vamos a comprender que la creación de orden va acompañada por aumento del desorden, que siempre es mayor.

La ciencia de las transformaciones La termodinámica es la ciencia que estudia la transformación de energía en todos los procesos térmicos, especialmente en las máquinas térmicas. Al mismo tiempo veremos cómo la energía al transformarse se degenera en formas cada vez menos sofisticadas e inútiles. La termodinámica se inició con la investigación de cómo mejorar la eficiencia de los motores a vapor, que en los siglos XVIII y XIX eran los principales impulsores del desarrollo industrial y de las sociedades imperialistas.

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LA ABSTRACCIÓN

La máquina de vapor

Atkins en su libro Galileo´s Finger sugiere que “la máquina de vapor parece un monstruo sucio y molestoso, pero fue la fuerza que prevaleció y transformó a todo el mundo industrial y, de hecho, es un modelo del funcionamiento del Universo; ya que todos los procesos de la naturaleza se parecen a los procesos termodinámicos dentro de la máquina de vapor”.

El funcionamiento del Universo El desarrollo de la ciencia va asociado con el grado de aumento de la abstracción; de modo que, en el siglo XIX cuando los ingenieros e investigadores se propusieron entender los procesos internos de las máquinas de vapor, al abstraer su funcionamiento, se logró por primera vez vislumbrar los procesos termodinámicos y se llegó a entender la esencia del mecanismo interno de estos procesos y con ellos del funcionamiento termodinámico de la vida y del Universo.

El funcionamiento de las máquinas Los ingenieros y técnicos de esa época se concentraron en mejorar el funcionamiento y la eficiencia de las máquinas de vapor, para obtener más trabajo mecánico con menores cantidades de carbón. Para esto, debieron realizar numerosos experimentos y pruebas para establecer cuál era el mejor medio para transmitir el calor. Había que determinar si el agua era mejor, o los aceites u otros fluidos, o gases como el aire. ¿Cuál era la mejor temperatura para obtener la máxima presión y trabajo mecánico, sin destruir los aparatos? Fue el ingeniero francés Sadi Carnot, quien se concentró en resolver gran parte de estos enigmas a principios del siglo XIX. Como veremos a continuación, los principales pensadores de la termodinámica del siglo XIX fueron Sadi Carnot (francés), William Thomson (Lord Kelvin, inglés), Rudolph Clausius (alemán) y Ludwig Boltzmann (austríaco).

SADI CARNOT (1796-1837) Ingeniero y científico francés, describió el ciclo térmico que lleva su nombre (ciclo de Carnot), a partir del cual se dedujo el segundo principio de la termodinámica. En 1812 ingresó en la École Politechnique y se graduó dos

a. (http://www.biografiasyvidas.com/biografia/c/carnot.htm)

años después, en la época en que se iniciaba el declive del imperio napoleónico y los ejércitos extranjeros asediaban París; donde muchos estudiantes, entre ellos Carnot, participaron en las escaramuzas que se produjeron en las afueras de la capital francesa. Tras la guerra con el Reino Unido, Francia tuvo que importar de ese país la maquinaria de vapor más avanzada de la época, lo cual reveló a Carnot lo atrasada que se encontraba Francia con respecto a los demás países industrializados. Este hecho, unido a las inspiradoras conversaciones que mantuvo con el eminente científico e industrial Nicolás Clément-Desormes, lo impulsaron a centrar su actividad en el desarrollo de las máquinas movidas por vapor. En su ensayo publicado en 1824 bajo el título Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego, Carnot, sin perderse en detalles técnicos, describió el ciclo energético de una máquina idealizada, cuyo rendimiento depende únicamente de las temperaturas inicial y final de la sustancia que impulsa la máquina vapor o cualquier otro fluido.a

Reflexiones Su obra publicada en 1824 pasó al olvido en Francia hasta que fue descubierta por Lord Kelvin en Inglaterra y Rudolph Clausius en Alemania. Afirma Carnot en sus Reflexiones que: “A menudo se ha planteado la cuestión sobre si la potencia motriz del calor es limitada o infinita; el que si mejoras posibles a estas máquinas de vapor tienen un límite asignable, un límite que, en la naturaleza de las cosas, no pueda excederse por medio alguno, o si, por lo contrario, estas mejoras pueden extenderse indefinidamente”. Luego aclara que no es posible mejorar indefinidamente estas máquinas y establece lo que se conoce como el Principio de Carnot.

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El principio de Carnot Este principio dice que: “La transformación de calor en trabajo mecánico sólo es posible si existen dos reservorios de calor con diferentes temperaturas.” Luego demostró la equivalencia que existe entre el trabajo y el calor y de esta manera inició la termodinámica.

El calor Carnot estaba equivocado en cuanto a lo que era el calor, ya que creía que era un fluido llamado en ese entonces caloricum, que pasaba de los reservorios calientes a los más fríos y en el camino producía trabajo mecánico; él ya sabía que el calor, al ser un fluido, no podía ser creado ni destruido; pero fue lo suficientemente astuto para darse cuenta de que lo importante en estos procesos es la diferencia de temperatura de los reservorios y que la eficiencia no tenía nada que ver con la presión, ni con el medio que se usaba para transmitir el calor, solamente dependía de la diferencia de temperaturas; de modo que lo más importante era subir al máximo la temperatura del reservorio caliente y bajar la del reservorio frío.

Los ingenieros Los ingenieros de esa época creyeron que estas conclusiones eran ridículas y absurdas y no le prestaron mayor atención al libro de Carnot, hasta que cayó en manos del gran físico inglés, William Thomson en Inglaterra (que luego se convirtió en Lord Kelvin), y de Rudolph Clausius en Alemania.2 Carnot en su libro explicó por qué los motores de vapor que usaban el vapor sobrecalentado, eran mejores debido a la temperatura más alta del depósito caliente. La teoría de Carnot no ayudó a mejorar la eficiencia de los motores de vapor en un principio; hacia el final del siglo XIX la idea de Carnot fue puesta en práctica por, entre otros, Rudolf Diesel, quién diseñó un motor en el cual es mucho más alta la temperatura del depósito caliente que en un motor de vapor; dando por resultado un motor de combustión interna más eficiente que el motor de vapor.a

RUDOLF DIESEL (1858 –1913) Hijo de inmigrantes bávaros, nació en París, y fue el inventor del mejor motor de combustión interna de alto rendimiento, el motor diésel. Motor aplicable a todo tipo de locomoción y transporte que se presentó en la feria internacional de París, como el primer motor que usa aceite vegetal como combusa. http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Nicolas_Léonard_Sadi_Carnot b. http://www.biografiasyvidas.com/biografia/d/diesel.htm

tible. En 1870 la familia tuvo que abandonar Francia al estallar la guerra franco-prusiana, y Rudolf fue enviado a Augsburgo donde continuó con su formación académica hasta ingresar en la Technische Hochschule (Alta escuela técnica) de Munich, una de las mejores escuelas de ingeniería del mundo, donde estudió bajo la tutela de Carl von Linde y que ahora se llama, Technische Universität München (TUM). En 1880 se unió a la empresa que Von Linde poseía en París y su preocupación fue el desarrollo de un motor de combustión interna cuyo rendimiento energético se aproximara lo máximo posible al rendimiento teórico de la máquina ideal propuesta por Carnot. En 1890, año en que se trasladó a Berlín para ocupar un nuevo cargo en la empresa de Von Linde, concibió la idea que a la postre se convertiría en el motor que lleva su nombre. Obtuvo la patente alemana de su diseño en 1892, y un año después publicó un documento con el título Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors, (Teoría y construcción de un motor térmico racional) que es una descripción detallada de su motor.b Con el patrocinio de la Maschinenfabrik Augsburg (MAN) y de las industrias Krupp, Diesel produjo una serie de modelos cada vez más eficientes que culminó en 1897 con la presentación de un motor de cuatro tiempos capaz de desarrollar una potencia de 25 caballos de vapor. La alta eficiencia de los motores Diesel, unida a un diseño relativamente sencillo, se tradujo rápidamente en un gran éxito comercial, que reportó a Diesel importantes beneficios económicos. El Instituto de Ingenieros Mecánicos alemán le concedió la Orden del Mérito por sus investigaciones y desarrollos

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sobre los motores con aceite de cacahuete; estos motores posteriormente usaron petróleo por ser más barato. Se supone que Diesel murió la noche del 29 al 30 de septiembre de 1913 ahogado, pues desapareció del buque en que viajaba de Amberes a Inglaterra. Un par de días después, un bote de la guardia costera inglesa encontró su cuerpo. Como era común en aquel entonces, sólo se tomaron sus pertenencias que fueron identificadas posteriormente por su hijo y el cuerpo fue arrojado de nuevo al mar. Se elaboraron varias hipótesis sobre su muerte, la primera decía que se suicidó por encontrarse en quiebra. Su familia creyó que fue asesinado y sus ideas robadas. Otra hipótesis fue que agentes alemanes lo asesinaron para evitar la difusión de sus inventos, en vista de que la guerra se aproximaba y él estaba decidido a permitir que cualquier país como Francia o Inglaterra pudieran comprar licencias sobre sus patentes.b En el año 1900 la Marina inglesa estaba muy interesada por el motor de Diesel, que podía funcionar con aceites vegetales y que podía alcanzar una eficiencia térmica de hasta un 70%, comparado con el 10% del motor de vapor. Actualmente hay una serie de aceites vegetales que pueden usarse como combustibles de los motores diesel. Esta fue una de las principales intenciones de Diesel, quien afirmó que esto podría ayudar notablemente en el desarrollo de una agricultura energética, como ha sucedido en Brasil. Diesel pronosticó que estos biocombustibles llegarían a ser tan importantes como lo son ahora los derivados del petróleo. Una de las principales preocupaciones de Diesel fue en ese entonces, que había que ayudar a los trabajadores y artesanos independientes en su desigual lucha contra las grandes empresas, que virtualmente habían monopolizado la producción de los motores de vapor. En 1903 Diesel publicó un libro llamado: Solidarismus: Natürliche wirtschaftliche Erlösung des Menschen (Solidaridad: La salvación económica y natural de los hombres) en que proponía entre otras cosas que los obreros debían ser los que dirijan las empresas. Diesel estaba tremendamente preocupado por la situación de los trabajadores de la Europa de comienzos del siglo XX, y de los valores y libertades sociales de esa época.c b. http://es.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Diesel c. http://environauts.wordpress.com/2010/05/18/diesels-vision/

WILLIAM THOMPSON (Lord Kelvin)

(1824 -1907) Físico y matemático británico, se le conoce como Lord Kelvin, era el segundo hijo de James Thomson, profesor de matemáticas de la Universidad de Glasgow. En 1841 fue a estudiar en Cambridge y en 1845 se graduó y se dirigió a París para trabajar en el laboratorio de Regnault, físico y químico francés que investigaba y había compilado tablas numéricas con las propiedades del vapor, que fueron publicadas en 1847 y que le permitieron ganar la Medalla Rumford de la Royal Society de Londres. Kelvin en 1846, a los veintidós años, fue nombrado catedrático de Filosofía natural de la Universidad de Glasgow; en aquellos tiempos, los estudios experimentales no eran muy bien vistos, pese a ello, la cátedra de Kelvin se convirtió en un centro que inspiró durante medio siglo a los principales científicos. Una de sus primeras investigaciones fue determinar la edad de la Tierra, tomando como base la conducción del calor, estimó que debía tener unos cien millones de años, por lo cual las condiciones geológicas de nuestro planeta debían ser muy distintas entonces, lo cual dio lugar a muchas controversias con los geólogos. En 1847 Kelvin conoció a Joule en una reunión científica celebrada en Oxford, en aquella época se entendía al calor como una forma de energía y Kelvin fue uno de los primeros que confirmó las ideas de Joule sobre la naturaleza del calor. Lo que le llevó a concebir una nueva escala para la temperatura basada en el cero absoluto, que lleva su nombre y es utilizada en termodinámica. Kelvin en 1851 presentó a la Royal Society de Edimburgo una memoria sobre la teoría di-

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námica del calor, llamada Dynamical theory of heat; este documento contiene el principio de la disipación de la energía y que con el enunciado equivalente de Clausius, conforma la base para el segundo principio de la termodinámica. De esta manera, Kelvin demostró que el principio de Carnot no se oponía a los conceptos del Conde Rumford a quien veremos más adelante. Mientras estaba viendo como se torneaba un cañón y la enorme cantidad de calor que se generaba, dedujo que el calor era en realidad un movimiento molecular, no un fluido o caloricum como se había creído. Lord Kelvin, a más de estudiar el calor, investigó temas de la electricidad, determinó las variaciones del punto de fusión del hielo con la presión y el enfriamiento provocado por la expansión de los gases, que es el principio en que se basan todas las refrigeradoras y acondicionadores de aire del mundo. Kelvin consideraba que no se debe despreciar los usos prácticos de la ciencia, ya que las aplicaciones son la vida y el alma de la ciencia.a

Las máquinas térmicas Thomson, con Joule y Rumford desbarataron la teoría del caloricum, e identificaron al calor como una forma de energía, así las máquinas de vapor fueron consideradas desde entonces como máquinas térmicas, en que la energía del calor era convertida en trabajo mecánico. Las máquinas térmicas incluyen actualmente a las turbinas de vapor, los motores a reacción y los motores de combustión interna, que mueven la mayor parte de transportes en el planeta.

El reservorio frío Kelvin probó que ningún proceso térmico puede funcionar de tal manera que todo el flujo de calor pase del reservorio caliente, directamente, a la producción de trabajo mecánico. De esta manera quedó demostrado que todas las máquinas térmicas tienen que contar con un reservorio frío, y que el componente más importante del motor a vapor es este reservorio frío; que es el entorno o ambiente en el cual se descargan los restos del calor del motor.3

RUDOLPH CLAUSIUS (1822-1888) Físico y matemático alemán, se le considera uno de los fundadores principales de la ciencia de la termodinámica, por la nueva a. (http://www.biografiasyvidas.com/biografia/k/kelvin.htm) b. (http://www.biografiasyvidas.com/biografia/c/clausius.htm)

concepción que le dio al principio de Carnot. Su enfoque más importante es el desarrollo de la teoría mecánica del calor, que sienta las bases para la segunda ley de la termodinámica. En 1865 él introdujo el concepto de entropía. Clausius comenzó su educación en la escuela de su padre y después de algunos años fue al Gimnasio en Stettin, y se graduó de la Universidad de Berlín en 1844, donde estudió matemáticas y física principalmente. En 1847 se doctoró en la Universidad de Halle con una tesis sobre los efectos ópticos de la luz solar en la atmósfera de la tierra. Su libro: “Über die bewegende Kraft der Wärme.” (Sobre la fuerza motriz del calor) trata sobre la teoría mecánica del calor. En 1850 enunció el segundo principio de la termodinámica como la imposibilidad del paso espontáneo de calor de un cuerpo frío a otro de caliente, sin la introducción de energía desde el exterior. En 1865 introdujo el término entropía, definido como la capacidad del calor para desarrollar trabajo, y demostró que la entropía del sistema se incrementa en un proceso irreversible. Llevó a cabo así mismo investigaciones sobre la teoría cinética de los gases y los fenómenos electroquímicos al refinar el modelo e incluir movimientos moleculares de translación, rotatorios y vibratorios. Clausius dedujo la relación que caracteriza la transición de fase entre dos estados de la materia que había sido concebido originalmente en 1834 por Émile Clapeyron. En 1865, Clausius primero dio una versión matemática del concepto de la energía degenerada, y le bautizó con el nombre entropía que significa en Griego transformación o evolución.b

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Los principios de Clausius Clausius en su libro sobre la fuerza motriz del calor, estableció sus tres principios que son: 1. En un sistema cerrado, en el cual se producen cualquier cantidad de procesos mecánicos y térmicos, la energía total permanece constante. 2. La energía del mundo es constante. La entropía del mundo tiende hacia un máximo. 3. El calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente. Esto no significa que este proceso es imposible, ya que se practica en todos los aparatos de refrigeración, pero en todos estos casos es necesario introducir en el sistema energía externa para poder realizar este trabajo. Si comparamos los principios de Kelvin y Clausius vemos que son equivalentes, ya que si la energía pudiera pasar espontáneamente del frío al calor, entonces las máquinas térmicas podrían funcionar sin un reservorio frío, lo que sabemos que no es posible de acuerdo a la segunda ley de la termodinámica.4

La calidad de la energía Clausius concibió el concepto de entropía como una medida de la calidad de la energía; de tal manera que mientras menor es la entropía, mayor es la calidad de la energía. Las mejores energías son aquellas como la electro-magnética o la electricidad y la química; la peor es la energía cinética de los átomos llamada calor.

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irreversibles eran cambios de entropía y dijo: “He acuñado intencionadamente la palabra entropía para que sea lo más parecida posible a la palabra energía”, explicaba Clausius, “porque las dos magnitudes... están casi tan imbricadas en su significado físico que parece deseable cierta similitud en su denominación.” a Clausius descubrió una fórmula para medir la entropía al desarrollar los conceptos de la Segunda Ley de la termodinámica, e introdujo la ecuación para calcular el cambio en la entropía de un sistema que es la siguiente: El cambio en entropía = energía introducida como calor / temperatura a la cual ocurre la transferencia

LAS TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA

Energía potencial química

Nuestros cuerpos están transformando constantemente energía potencial química de los alimentos en energía térmica que se disipa en el entorno que nos rodea; de este modo nosotros aumentamos la entropía de nuestro hábitat. Es importante notar que solamente los cambios en la entropía se producen cuando la energía está en forma de calor; no sucede esto cuando la energía está en forma de trabajo. El trabajo no aumenta ni reduce la entropía.5

La energía del mundo Como vimos antes, Clausius propuso el principio de que la entropía en un sistema cerrado nunca disminuye, que unifica los principios antes mencionados de que todo motor tiene necesariamente que desperdiciar parte de la energía que recibe. Este principio es el más interesante de todos y Clausius lo resumió diciendo que la energía del mundo es constante y la entropía busca alcanzar un máximo.6

La medida de la entropía Clausius asumió que la energía total del Universo era constante, que lo único que realmente cambiaba era la mezcla de los diferentes tipos de energía. Además sabía que no había máquina que fuera capaz de convertir toda la energía del combustible en trabajo útil; por tanto, Carnot había estado en lo cierto: las máquinas reales nunca pueden transformar todo su potencial ideal en trabajo mecánico; siempre había energía disipada que se perdía. Clausius sugirió que los cambios de energía y de temperatura, como los que se daban en los procesos a. http://www.uco.es/dptos/ing-quimica/ing-q/unid-quimica/opinion/cinco_ecuaciones.htm

LUDWIG BOLTZMANN (1844-1906) Físico austriaco cuyas aportaciones en el campo de la teoría cinética de gases marcaron el desarrollo posterior de diversos campos de la Física. Su aplicación de las probabilidades a la mecánica, marcó el camino para el desarrollo posterior de la termodinámica del no equilibrio. Nació en el seno de una familia acomodada y heredó cuando aún era joven una pequeña fortuna de su abuelo materno, gracias a lo cual se pudo concentrar en sus estudios, a pesar de

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perder a su padre cuando sólo tenía quince años. La enseñanza media la cursó en Linz, y ya en aquellos primeros años de estudiante se puso de manifiesto su enorme curiosidad al estudiar las plantas y coleccionar lepidópteros, y su temperamento apasionado se reveló como un estudiante impaciente y ambicioso. Durante sus estudios universitarios colaboró con Joseph Stefan en las investigaciones que llevaba a cabo sobre las pérdidas de energía sufridas por los cuerpos muy calientes. Entre los años 1869 y 1873 enseñó Física Teórica en la universidad de Graz y estudió en Heidelberg y Berlín. Después fue profesor de una de las cátedras de matemáticas en la universidad de Viena. Las disputas científicas que mantenía Boltzmann, sin embargo, eran verbalmente violentas y tremendamente acaloradas, y su ánimo se veía seriamente afectado, hasta el punto de padecer problemas psíquicos graves e intentar suicidarse durante su estancia en Leipzig. Wilhem Ostwald, Premio Nobel de Química en 1909, fue uno de los principales rivales intelectuales de Boltzmann ya que ambos defendían firmemente posturas radicalmente opuestas. En 1902, Boltzmann volvió a ocupar la cátedra de Física teórica, además tomó también la de Historia y Filosofía de la ciencia que había quedado vacante tras la separación de Mach, su otro gran opositor científico. En 1904, Boltzmann visitó los Estados Unidos dando una serie de conferencias sobre matemáticas aplicadas y visitó Berkeley y Stanford, pero no se percató de que los nuevos descubrimientos concernientes a la radiación, constituían una prueba más de que sus teorías eran correctas. A pesar de haber gozado de cierto reconocimiento académico, los ataques contra él fueron incesantes. Durante las vacaciones de 1906, mientras su mujer y su hija nadaban en una bahía cerca de Trieste, Boltzmann se suicidó. El compromiso de Boltza. http://www.biografiasyvidas.com/biografia/b/boltzmann.htm b. (http://www.biografiasyvidas.com/biografia/b/boltzmann.htm) c. (http://www.biografiasyvidas.com/biografia/b/boltzmann.htm)

mann con la búsqueda de la verdad, y la escasa repercusión que tenía el resultado de esta búsqueda en una sociedad en la que pesaba más la tradición, afectó profundamente a Boltzmann. Pero es posible que jugara también un papel fundamental alguna enfermedad mental causante de su depresión. Boltzmann no podía evitar que las discusiones intelectuales con sus rivales le afectaran emocionalmente, pero sus conferencias sobre la filosofía de la ciencia despertaban tanto interés que incluso el emperador Francisco José le invitó a la corte para que expusiera sus ideas filosóficas sobre la Ciencia, ideas que se anticiparon a las de filósofos de la ciencia posteriores como Karl Popper y Thomas Khun.a

Mecánica estadística Boltzmann fue uno de los creadores de la teoría cinética de los gases y de una nueva formulación matemática de la ecuación de la entropía, relacionándola con los logaritmos de las probabilidades. Está considerado como el fundador de la Mecánica estadística que permite explicar las propiedades y comportamientos globales de los conjuntos de innumerables moléculas y átomos. Descubrió que la entropía es proporcional al logaritmo del número de maneras microscópicas de organización de un estado de la materia. También demostró termodinámicamente la Ley de la radiación también llamada ley de Stefan-Boltzmann.b

La naturaleza de la materia Se afirma que la labor científica de Boltzmann se encaminó fundamentalmente a establecer cómo el movimiento de los átomos y sus mutuas interacciones determina las propiedades visibles, macroscópicas, de la materia, tales como presión, viscosidad, conductividad térmica y difusión. Esta era una nueva forma de tratar los conjuntos de partículas y no fue bien entendido por muchos de sus contemporáneos.c

El desorden Atkins afirma que fue Boltzmann el que vio con mayor profundidad la naturaleza de la materia, hasta que se ahorcó decepcionado por la incomprensión y el rechazo a sus ideas por buena parte de sus colegas. Boltzmann demostró que la entropía es una medida del desorden; mientras mayor es el desorden, mayor es la entropía.7 Cada vez que nos encontramos con desorden, también nos encontramos con entropía; de modo que

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esta es una manera muy sencilla de entender la segunda ley como el proceso de aumento del desorden en el Universo.

Cambios de estado Se producen en el agua al cambiar del estado sólido, hielo a líquido, el agua, y luego a gas como vapor. El hielo es el más ordenado de estos tres estados y por tanto el de menor entropía. El agua tiene un mayor desorden que el hielo, por tanto su entropía es mayor; por último cuando el agua se evapora pasa a un estado gaseoso de máximo desorden, donde la entropía llega a su punto más alto. Cuando la energía escapa de un cuerpo caliente como el cuerpo humano, los movimientos térmicos de las moléculas de aire que rodean al cuerpo caliente se incrementan y por tanto la entropía del entorno del cuerpo se incrementa.8

La flecha del tiempo La segunda ley nos dice que la entropía nunca disminuye; esto significa que el orden molecular nunca puede aumentar por sí solo. Que es lo mismo que afirmar que las moléculas por sí solas no se pueden unir y formar una estatua, o que un huevo puesto sobre la mesa no se convierte por sí solo en un huevo frito. Esto significa que la dirección en que apunta la flecha del tiempo para todos los procesos naturales es hacia un mayor desorden, que la energía se degrada y se dispersa; de manera que naturalmente el mundo empeora todo el tiempo.9

La evolución del desorden al orden Como vimos antes, la palabra entropía proviene del griego y significa evolución, sin embargo, esta evolución es hacia el desorden de un sistema físico. Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía o energía degenerada en un sistema aislado, permanece constante o se incrementa; nunca puede disminuir. Pero en los sistemas abiertos, en que entra energía del exterior, el orden puede aumentar. Tomemos el caso del agua en el congelador: después de cierto tiempo, se hace hielo, el cual tiene mayor cantidad de orden. Pero esto se logra solamente si al sistema entra continuamente energía desde el exterior. En el caso del congelador de una refrigeradora, entra energía eléctrica al motor desde el enchufe.

Procesos irreversibles Son ejemplos de procesos irreversibles el envejecimiento de todos los seres vivos, ya que tenemos que morir a. http://definicion.de/homeostasis/

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finalmente; la erosión de los suelos por efecto principalmente del agua, del viento y de la intervención humana; la fotosíntesis también es una transformación natural que tiene lugar en las plantas como vimos en el capítulo dos. También es un buen ejemplo de procesos irreversibles naturales los cambios que se están produciendo y están causando el cambio climático. Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía aumenta en los procesos irreversibles, que son aquellos procesos naturales que no se pueden revertir a las condiciones iniciales. Por ejemplo, si un huevo se rompe, es imposible recoger todo para convertirlo en un nuevo huevo completo. Todos los procesos espontáneos son irreversibles; es decir, no pueden volver a su estado inicial. No podemos volver al pasado y rehacer las cosas; por esto se dice que la entropía del Universo está incrementando. De esta manera hay más energía degenerada en forma de calor, que no puede ser aprovechada, y el Universo tiende hacia el desorden.

ENTROPÍA Y TERMODINÁMICA

La energía degradada

Se llama energía degradada a aquella que ya no puede ser utilizada, por la razón que sea. Un aumento de entropía va siempre acompañado de la disminución de las posibilidades para que se pueda realizar un trabajo productivo. De modo que la entropía es una medida de la energía degradada o disipada que ya no puede ser recuperada para realizar un trabajo útil. En el Universo la cantidad total de energía y materia se mantienen constantes; pero al aumentar la entropía, la energía disponible es cada vez menos útil. Se puede comparar a la entropía con la inflación monetaria de un país: a medida que se imprime dinero, si no aumenta la producción de bienes y servicios, aumenta la inflación y la moneda del país vale menos.

Homeostasis William Bradford, un fisiólogo estadounidense definió a la homeostasis como: “El conjunto de fenómenos de autoregulación que llevan al mantenimiento de la constancia de las propiedades y composición del medio interno de un organismo.” a Desde la época de Aristóteles se sabía que los seres vivos se encuentran en un estado de equilibrio no muy estable con intercambios de energía con el ambiente exterior y cambios en los sistemas internos, que se manifiestan como fluctuaciones y que son los procesos por los cuales un organismo mantiene las condiciones internas requeridas para la vida. Ahora este término

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transciende el ámbito de la biología y se le aplica en la teoría de sistemas para indicar las condiciones que permiten que los sistemas se mantengan en un equilibrio relativo; como por ejemplo la economía, la ecología y otros.

ILYA PRIGOGINE

of Chaos introduce el concepto clave de estructuras disipativas, que son aquellas que están en un estado alejado del equilibrio y que están constantemente transformando energía y produciendo entropía; de modo que un organismo está creando orden si recibe energía permanentemente del exterior, pero al mismo tiempo disipa energía que sale del cuerpo en forma de calor.

ARTURO ROSENBLUETH STEARNS

(1917-) Científico belga de origen ruso, hijo de Roman Prigogine, un ingeniero químico que trabajaba en el Politécnico de Moscú, nació unos meses antes del estallido de la Revolución Rusa. Sus padres tuvieron dificultades con el nuevo régimen y emigraron en 1921 a Alemania. En 1929 se establecieron en Bélgica; en Bruselas acudió a la escuela secundaria y a la universidad. Se licenció en química y física por la Universidad Libre de Bruselas en 1939 y obtuvo en 1941 el grado de doctor en química e impartió clases de química y física teórica. En 1953 ingreso en la Real Academia de Bélgica, institución que presidió a partir de 1969. En 1984 fue nombrado Profesor de la Universidad de Tejas. Su gran contribución fue la extensión de la teoría termodinámica a sistemas que se apartaban considerablemente del equilibrio, que son los que tienen lugar en el mundo real. En 1977 le fue concedido el Premio Nobel de Química por sus contribuciones a la termodinámica de sistemas que no están en equilibrio, que son los que tienen lugar en el mundo real. Demostró que en esas condiciones de no equilibrio, una nueva forma de estructuras ordenadas pueden existir, y las denominó estructuras disipativas para subrayar el hecho de que sólo pueden existir en conjunción con su entorno.a

Lejos del equilibrio A mediados del siglo XX, Prigogine, en su libro Order out a.(http://www.biografiasyvidas.com/biografia/p/prigogine.htm) b. http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/publicaciones/publi_quepaso/rosenblu.htm

(1900-1970) Nació en ciudad Guerrero, Chihuahua. Sus primeros estudios los realizó en la capital de su estado natal, en donde vivió hasta el año 1910. Inicialmente estudió medicina en la Universidad de México, pero debido a sus dificultades económicas, trabajó como pianista por las noches y luego en una librería, lo que le permitió continuar sus estudios. Le otorgaron una beca para estudiar en Europa y en 1927 obtuvo el grado de Doctor en Medicina en la Universidad de París. Regresó a México y fue nombrado ayudante de fisiología en la Escuela Nacional y también profesor al año siguiente. En el año 1930 obtuvo una beca de la Fundación Guggenheim y se fue a la Universidad de Harvard, en Boston, al Departamento de Fisiología donde realizó investigaciones colaborando con Cannon y Wiener. Entre las monografías que publicó se destaca su libro Mente y Cerebro, en el cual se ocupa de las relaciones entre los procesos mentales y el sistema nervioso, así como de los procesos psicológicos del cerebro, la fisiología y la ciencia. Colaboró en la construcción de una máquina de retroalimentación voluntaria, que sirvió para explicar fenómenos como el temblor que se produce al levantar un vaso, o los síntomas del mal de Parkinson. Regresó a México, ya que se negó a aceptar la ciudadanía estadounidense, aceptando la oferta para hacerse cargo del departamento de fisiología del Instituto

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Nacional de Cardiología recién creado. Este fue el punto de partida del florecimiento de la investigación científica en México en las ciencias fisiológicas; junto con Wiener y Bigelow escribió un ensayo denominado Behavior, Purpose and Teleology que sirvió de base para la creación de la nueva ciencia de la retroalimentación, llamada cibernética b por Norbert Wiener, palabra tomada del griego y que significa timonel.

La retroalimentación Según Norbert Wiener, Arturo Rosenblueth “fijó las bases para la nueva ciencia de la cibernética y propuso que el comportamiento controlado por la realimentación negativa, aplicada a un animal, al ser humano o a las máquinas era un principio determinante y directivo en la naturaleza y en los humanos.” La realimentación, también denominada retroalimentación o feedback, significa ir y volver, y es desde el punto de vista social y psicológico, el proceso de compartir observaciones, preocupaciones y sugerencias, con la intención de recabar información, a nivel individual o colectivo, para intentar mejorar el funcionamiento de una organización o de cualquier grupo humano. Para que la mejora continua sea posible, la realimentación tiene que ser multi-direccional; es decir, de arriba para abajo y viceversa. Prigogine comprendió que la termodinámica clásica era inadecuada para describir sistemas alejados del equilibrio, en que se producen fenómenos de retroalimentación muy complejos. Estos sistemas no siguen ninguna ley universal sino que cada sistema tiene un atractor o comportamiento específico. En la teoría de sistemas, en cibernética o en la teoría de control, la realimentación es un proceso por el que una cierta proporción de la señal de salida de un sistema se redirige de nuevo a la entrada. Esto es frecuente en el control del comportamiento dinámico de sistemas; hay muchos ejemplos de realimentación que se pueden encontrar en la mayoría de los sistemas complejos, tales como la ingeniería, arquitectura, economía, y biología.a

Los sistemas cerrados La segunda ley nos dice que en los sistemas cerrados en que no hay un intercambio de materia y energía con el entorno, la medida del desorden es la entropía que aumenta inevitablemente. Boltzmann argumentaba que este aumento se debe a la tendencia estadística del sistema de probar todas las posibles ordenaciones de sus componentes. La consecuencia de la segunda ley es que el orden tiende a desaparecer, de modo que para mantener una cantidad adecuada de orden es necesaa. http://es.wikipedia.org/wiki/Realimentación b. (http://www.biographybase.com/biography/Kauffman_Stuart.html) c. http://www.fis.unam.mx/~max/Spanish/spanish_005.htm

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rio que entren grandes cantidades de energía, que es lo que sucede por ejemplo en los seres vivos.

Creación de orden La vida es sin duda, uno de los más deslumbrantes ejemplos de creación de orden por medio de procesos como la selección natural y la evolución. Los últimos quinientos cincuenta millones de años son testigos silenciosos de una serie de extinciones masivas de especies, por diferentes causas y del resurgimiento de otras especies, entre ellas la especie humana. Parece ser que varias de estas extinciones se debieron a grandes catástrofes causadas por cometas o grandes meteoros que chocaron contra la Tierra.

STUART KAUFMAN

Stuart Kauffman estudió originalmente medicina, pero es un biólogo e investigador de los sistemas complejos, y muy conocido mundialmente por sus trabajos y publicaciones sobre los sistemas autoorganizados, que los considera por lo menos tan importantes como los procesos de selección natural de Darwin. Después de una breve carrera como médico, se dedicó a las investigaciones genéticas y le nombraron profesor titular de bioquímica en la Universidad de Pensilvania. Se destacó mundialmente por sus trabajos en el Instituto Santa Fe de Nuevo México, en que se investigan los sistemas complejos. Sus trabajos de investigación más importantes han sido en modelos de varios temas de la biología, redes auto-reguladas y la biología evolutiva.b Es uno de los biólogos teóricos más relevantes en el ámbito de la complejidad biológica, sus trabajos en simulación de redes genéticas con modelos de redes booleanas, han mostrado cómo los ciclos auto-catalíticos. Auto-catálisis es el proceso mediante el cual un compuesto químico induce y controla una reacción química sobre

150 sí mismo.c Catálisis es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química, estos son los procesos indispensables para la vida. Y para la agrupación de células necesarias para la emergencia de la multi-celularidad. Un organismo pluricelular o multicelular es aquél que está constituido por más de una célula, las cuales están diferenciadas para realizar funciones especializadas, en contraposición a los organismos unicelulares como los protistas o bacterias, entre muchos otros, que reúnen todas las funciones vitales en una única célula. La selección natural actúa sobre las propiedades organizativas de las redes genéticas, llevando a los sistemas a un punto de máxima adaptabilidad. Una red de regulación genética es un conjunto de genes que regulan mutuamente su expresión. Los nodos de esta red son los genes mismos, y las conexiones entre ellos representan los intrincados mecanismos de regulación de la expresión genética.c Los resultados de Kauffman contradicen el marco teórico postulado por la síntesis evolutiva darwiniana, según la cual, resultados tan complejos son muy improbables y sólo pueden resultar de la selección acumulativa de pequeños incrementos de complejidad en la organización biológica. Las simulaciones de Kauffman, sugieren que la selección natural es relativamente ineficiente cuando los elementos genéticos están fuertemente interconectados,d que es la situación que se produjo cuando comenzaron los procesos que dieron origen a la vida.

LAS NUEVAS CIENCIAS DEL COSMOS • capítulo 5

de todos los sistemas complejos sea evolucionar a un estado natural entre el orden y el caos.

LOS PRINCIPIOS DE LA SEGUNDA LEY

Los tres principios

Todas estas ideas son parte de la segunda ley de la termodinámica que se expresa por medio de los tres principios siguientes: 1.- En un sistema cerrado, el calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente. 2.- No existe una máquina que pueda convertir absolutamente todo el calor en trabajo. 3.- Un sistema cerrado, con el tiempo tenderá a volverse más desordenado.11

El primer principio El primer principio de la segunda ley de la termodinámica se refiere a la temperatura relativa de los reservorios de energía en los procesos térmicos. Como se mencionó antes con el principio de Carnot, la energía fluye espontáneamente desde el reservorio caliente al reservorio frío, pero desde el punto de vista de la primera ley de la conservación de la energía, no hay razón para que la naturaleza trabaje de esta manera. La cantidad de energía también se conserva si el calor del reservorio frío fuera transmitido al reservorio caliente. Sin embargo, el Universo no funciona de esta forma, en la naturaleza el calor fluye espontáneamente en sólo una dirección, del reservorio caliente al frío.

Entre el caos y el orden

La conducción del calor

Hay varios investigadores como Kauffman, que afirman que debe haber otras explicaciones para la evolución de la vida; ya que al principio la Tierra era un caos completo, había decenas de miles de enormes meteoros, cometas y planetesimales que se estrellaban, y volcanes que erupcionaban; las temperaturas en nuestro planeta eran altísimas y en esas condiciones, con una atmósfera de gases venenosos, era casi imposible la generación de la vida. Con el paso de cientos de millones de años, las cosas cambiaron y se produjeron los procesos emergentes de la dinámica normal de la complejidad, hasta que por medio de procesos emergentes y autocatalíticos, aparecieron las primera células procariotas como hemos visto antes. Estos procesos emergentes produjeron la extinción de algunas de estas especies para permitir que ciertos nichos ecológicos fueran liberados para nuevas especies que aparecieron luego. Puede ser que el futuro

Cuando dos objetos chocan y uno de ellos se mueve más rápido que el otro, el objeto que se movía más lentamente adquiere velocidad; es decir, mayor energía cinética y aquel que se movía más rápidamente pierde parte de su velocidad; es decir, la misma cantidad negativa de energía cinética. A nivel molecular sucede algo muy parecido; ya que las moléculas que tienen mayor energía cinética se mueven más rápidamente y cuando chocan con las moléculas más lentas de menor energía, éstas últimas reciben parte de la energía de las más rápidas; este modelo explica cómo la energía se conduce desde las regiones calientes hacia las frías, de acuerdo con el primer principio de la termodinámica.

d. http://es.wikipedia.org/wiki/Stuart_Alan_Kauffman

El segundo principio El segundo principio pone una restricción importante en la forma en que podemos usar la energía en las má-

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quinas térmicas. Aparentemente no parece que este segundo enunciado esté relacionado con el primero, que dice que la energía nunca fluye del reservorio frío al caliente. Sin embargo, estas dos afirmaciones son equivalentes y si la primera es verdadera, la segunda también. Vimos antes que la energía se define como la capacidad para hacer un trabajo determinado, por ejemplo, al transformar la energía térmica en una turbina de vapor que mueve a un generador eléctrico, que a su vez produce una corriente eléctrica; parte de la energía que entra a la turbina y al generador se desperdician y son disipadas al ambiente y no pueden ser recogidas para producir más trabajo.

Eficiencia de las máquinas Esta energía disipada se pierde pero no se destruye, simplemente no se puede reutilizar. Se usa el término eficiencia para cuantificar la pérdida de energía útil; la eficiencia es la cantidad de trabajo que se obtiene de una máquina, dividida por la cantidad de energía que ingresa en la máquina.

Eficiencia = Trabajo mecánico desarrollado / Energía total ingresada

La transformación de energía Desde el punto de vista de la primera ley de la conservación de la energía, no hay ninguna razón por la cual la energía en forma de calor que entra a la turbina de vapor no pueda ser convertida en su totalidad en energía eléctrica del generador, produciendo un cien por ciento de eficiencia. Pero la segunda ley de la termodinámica indica que esto no es posible, ya que en las transformaciones de energía, una buena parte se disipa y se desperdicia y la cantidad de trabajo que se puede obtener siempre es menor que el total disponible. Otra forma de expresar este mismo concepto es decir que la energía siempre va de una forma más útil a una forma menos útil, como sucede en un automóvil.

Los motores de combustión En los motores de combustión interna ingresa una mezcla de combustible y aire que se enciende violentamente dentro del cilindro, expandiendo los gases explosivamente y ejerciendo una tremenda presión sobre los pistones a los que empujan hacia abajo. De esta energía cinética solamente una fracción muy pequeña, alrededor del 3% aproximadamente llega a las ruedas; ya que gran parte de la energía se pierde en forma de

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calor y por causa de la fricción, pero de acuerdo con la segunda ley, aun sin fricción no puede existir un motor ciento por ciento eficiente. La termodinámica nos dice que la energía que causa la explosión en el cilindro del motor es el reservorio de alta temperatura y el ambiente a donde llegan los tubos de escape es el reservorio de baja temperatura. La segunda ley especifica que cualquier máquina térmica que opera entre dos temperaturas de sus reservorios, debe disipar una buena cantidad de energía en forma de calor hacia el reservorio frío. Este intercambio entre las dos fuentes de temperatura se llama ciclo de Carnot y es reversible; ya que si ingresa energía desde afuera, funciona como una refrigeradora.

CONSECUENCIAS DE LA SEGUNDA LEY

La dirección natural. La dirección natural de los cambios en el mundo son hacia el desorden, pero este no necesariamente se presenta dentro del sistema, sino en distintos lugares, como el entorno o los lugares externos al sistema. Se crea orden en un determinado lugar al construir ciudades, puentes, carreteras, autopistas y demás obras de infraestructura; pero al mismo tiempo que se crea esta ordenación, en el entorno, en el aire, en el agua y en el suelo que rodea a las ciudades y demás obras, se produce un enorme desorden con toda la basura, escombros, polución y corrupción que se produce en la naturaleza y en las sociedades. La contabilidad final. Al hacer la contabilidad final de la energía, siempre sale ganando la entropía; es decir, la energía degenerada y el desorden. Esta degradación del Universo es imparable, no hay cómo detenerla; sólo se pueden hacer intentos aislados para crear orden en lugares en que se cuenta con enormes reservas de energías. El mejor ejemplo de esta degradación es la que se produce en la época moderna con la explotación de grandes cantidades de recursos naturales, especialmente los energéticos como la madera, el carbón, el petróleo y en el futuro muy cercano el hidrógeno, como comentamos antes en el capítulo anterior.12 Los procesos de desarrollo. La idea del desarrollo se remonta al siglo XV y XVI, pero el verdadero impulso para estas ideas del desarrollo se conforma con el descubrimiento de América. La abundancia de recursos que se descubrieron: energéticos, materiales, humanos y de todo tipo, permitió el llamado deshcir, al mismo tiempo que creamos orden, degradamos el planeta con un mayor desorden; de modo que la segunda ley siempre rige en nuestras vidas como en el Universo. Todos los procesos de cambio y desarrollo están

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íntimamente vinculados unos a otros en redes de eventos interconectados; de modo que si en un lugar se produce un aumento del orden, en otros se produce el desorden y este es siempre mayor, como lo probó Prigogine con sus estructuras disipativas. Actualmente estas ideas del desarrollo han perdido mucho de su prestigio; ahora ya no se habla de compartir los beneficios, sino de protegernos de los riesgos del futuro.13 Los nuevos paradigmas. El mundo tiene cuatro dimensiones visibles y medibles, tres del espacio y la cuarta del tiempo. El tiempo tiene una dirección que siempre apunta al futuro, pero a un futuro no determinista y por tanto no predecible. Como hemos visto, las leyes del movimiento de Newton funcionan tanto con un tiempo positivo como con un tiempo negativo. Es negativo cuando ponemos un signo menos y por este cambio, nada varía; estas leyes son indiferentes a la flecha del tiempo. Las leyes de la física clásica como la primera de la termodinámica, nada dicen acerca de la flecha del tiempo. Pero la segunda ley de la termodinámica es diferente; nos dice que los eventos importantes como la vida no son reversibles, no hay como volver en el tiempo para rehacer los errores del pasado. Estamos cambiando de paradigmas, los mencionados anteriormente se están terminando, están cambiando las reglas del juego del desarrollo. Por tanto debemos buscar las nuevas reglas, los nuevos paradigmas en los que las redes asumen una preponderancia enorme, en que la innovación es primordial para todos los procesos y propósitos. El propósito fundamental en este contexto nuevo no es innovar la tecnología para cambiar las cosas, sino cambiar a las personas que cambian las cosas.14 La innovación. A partir del nacimiento de la ciencia clásica en los siglos XVI y XVII, asumimos que la innovación era un proceso universal que permitía que algunas personas versadas en ciertos temas, debían transferir estos conocimientos y habilidades a los nuevos candidatos, y estos se limitaban a aprender y adaptar las nuevas ideas, procesos y habilidades. Ahora sabemos por medio de las redes, que la innovación relevante, la que realmente necesitamos emerge de procesos de interacción y participación social; es decir, de todos aquellos que tienen las calificaciones necesarias y los que necesitan de estas nuevas ideas e innovaciones. Esto significa claramente que tenemos que innovar la forma de innovar, no existe un solo modo o método para innovar, existen múltiples maneras de innovar, y todas ellas dependen de la concepción que tenemos de la realidad, de los diferentes actores sociales, de los contextos en los cuales vivimos, sean estos históricos, sociales, materiales o culturales.15 El tiempo irreversible. A principios del siglo XX Einstein dijo que el tiempo irreversible es una ilusión. Los intentos de probar la

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irreversibilidad con la ciencia clásica fracasaron, pues los procesos irreversibles no son fenómenos universales. Sabemos que existen muchas clases de sistemas dinámicos y algunos de estos, como los del movimiento, que se tratan en la mecánica, son reversibles. La pregunta clave es entonces ¿Cuál es la complejidad necesaria para que se produzca la irreversibilidad? Sin duda la vida es uno de esos sistemas cuya complejidad es suficiente para producir la irreversibilidad; pero hay otros en química, en las ciencias de la Tierra, como los movimientos sísmicos, y en otras disciplinas, que también son irreversibles. Estructuras disipativas. Al final del siglo XX se han desarrollado una serie de métodos y procedimientos numéricos que permiten calcular y describir fenómenos que se denominan no-lineales, inestables, caóticos, complejos e irreversibles. A estos fenómenos les llama Prigogine; estructuras disipativas como veremos en el capítulo once. En todos los casos, estos procesos disipan energía en forma de calor que no puede ser aprovechado y que se pierde. La materia en situaciones de equilibrio se manifiesta de una manera repetitiva, como en las moléculas de los sólidos. En cambio, en situaciones alejadas del equilibrio aparecen una gran variedad de mecanismos de cambio en las estructuras disipativas. La mayor contribución del siglo XIX. Cuando el famoso astrofísico inglés Arthur Stanley Eddington, explicaba que en las estrellas el deuterio y el tritio se fusionaban para formar helio y en este proceso se generaba la energía del Sol, afirmaba que desde el punto de vista de la filosofía de la ciencia, la concepción asociada con la entropía debe estar en un rango especial como la mayor contribución del siglo XIX al pensamiento científico. Eddington estaba a la caza de la flecha del tiempo y se preguntaba ¿Cuál es el significado de la flecha del tiempo? Ahora podemos afirmar que la flecha del tiempo es una manifestación del hecho de que el futuro no está dado; pero que el presente apunta hacia el futuro y como decía el poeta francés Paul Valery, el tiempo es una construcción, es decir, algo que se va formando, que va cambiando paralelamente al devenir. La economía del hidrógeno. La época de la madera terminó no porque se acabó la madera, sino porque apareció otro combustible más adecuado, el carbón. Lo mismo pasó con el carbón, apareció el petróleo y se cambió a una economía petrolera y lo mismo va a pasar con el petróleo, no porque se acabe el petróleo, ya que esto no va a suceder; sino porque viene la economía del hidrógeno. Jeremy Rifkin afirma en su libro La economía del hidrógeno que a medida que nos acercamos a los estadios finales de la era del petróleo, Estados Unidos se encuentra en una posición cada vez más vulnerable ante las crecientes amenazas e interferencias de origen externo e interno; al igual que todos los demás países del mundo. Las transnacionales. La época de los combustibles fósiles se ca-

DEL ORDEN AL DESORDEN

racteriza por la explotación del carbón, petróleo y gas natural que se encuentran en minas y pozos muy profundos y son muy difíciles de localizar y extraer. Los costos de perforación, extracción, transporte y refinación requieren de enormes capitales que la mayor parte de gobiernos no tienen, y por esto se han formado las empresas transnacionales: gigantes que de una manera centralizada manejan sus negocios mundiales. La centralización del poder económico y la acumulación de capitales en unas pocas empresas del mundo es lo que caracteriza a la época de los combustibles fósiles, que produjo el desarrollo de las megalópolis: enormes ciudades que consumen grandes cantidades de recursos naturales y de energía y que resultan insostenibles en el futuro. La energía del hidrógeno. Como vimos en el capítulo anterior, el hidrógeno es el elemento más abundante de todo el Universo y cuando lo usemos como la nueva forma de transformación de energía, será el combustible limpio y eterno; ya que al extraer energía eléctrica del hidrógeno y oxígeno en las pilas de combustible, el residuo que sale después del proceso es agua destilada. Como el hidrógeno no es carbono, no puede emitir dióxido de carbono; de modo que el problema del efecto invernadero disminuye radicalmente el momento que entremos de lleno en una economía del hidrógeno. El hidrógeno existe en todo el planeta, en el agua de los ríos, mares y océanos, en los combustibles fósiles y en los seres vivos; pero es muy raro encontrarlo en estado libre en la naturaleza, siempre aparece combinado con oxígeno formando agua y con el carbono y otros átomos en los hidrocarburos. De modo que es necesario separarlo de los otros átomos para obtener el hidrógeno necesario, y esto requiere mucha energía que debe provenir de fuentes renovables. La democratización de la energía. Consiste en ubicar en las viviendas, unidades de producción y transporte del planeta, la generación de energía. Esto abre la posibilidad de que por primera vez en la historia de la humanidad, la fuente de energía más importante esté al alcance de todos; lo que convertiría a la energía del hidrógeno en el primer régimen energético verdaderamente democrático de la historia. Economía y termodinámica. Cuanto más complejos y evolucionados son los organismos de las civilizaciones humanas, mayor es la cantidad de energía que se requiere para su mantenimiento y mayor es la entropía y el desorden que emerge en el proceso. Rifkin sugiere que “esta realidad es desconocida por la teoría económica clásica, que ignora las leyes de la termodinámica y que no toma en cuenta las restricciones que se imponen a la sociedad y al medio ambiente.” Estos condicionamientos nadie puede evitarlos; pero son desconocidos por la mayor parte de los líderes y políticos mundiales y locales. Las leyes de la termodinámica nos dicen cómo funciona el Universo y la naturaleza, al describir los procesos que incrementan la

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entropía y el desorden. La contabilidad adecuada. La actividad económica se limita a tomar del entorno recursos energéticos de baja entropía para transformarlos temporalmente en productos y servicios de alta entropía; sin llevar la contabilidad adecuada de todo lo que se desperdicia, de la enorme ineficiencia que denotan los procesos económicos y de la flecha del tiempo que necesariamente apunta hacia la degradación, la corrupción, las rebeliones, las guerras, los ladrones, los gobiernos y demás participantes en este festín de la energía degradada. El paradigma del equilibrio. Las principales teorías económicas modernas siguen ancladas al paradigma del equilibrio, que dice que sólo en sistemas que están en equilibrio se puede producir el crecimiento económico. Estas teorías asumen que existen mercados perfectos, que todos los agentes económicos tienen una racionalidad perfecta y que todos estos ingredientes hacen que las fluctuaciones que se producen en la economía, acaben estabilizándose al llegar al ansiado equilibrio. Estas teorías del equilibrio no pueden explicar las fluctuaciones de las bolsas de valores del mundo, las variaciones violentas y en determinadas ocasiones, catastróficas, ni las crisis de los valores y de las acciones de ciertos países y mercados. El funcionamiento del mundo. La Segunda ley de la termodinámica nos indica que existen serias limitaciones prácticas y filosóficas en la forma y funcionamiento del mundo, de la vida y de todos los procesos termodinámicos. Esta ley nos impone límites en la forma en que los seres humanos podemos interactuar con la naturaleza y en la forma en la cual esta reacciona a nuestros avances y acciones. En otras palabras, nos indica qué cosas suceden y cómo suceden y qué cosas no pueden suceder en el mundo. El desperdicio de energía. El desperdicio de energía en entropía no es el resultado de fallas en los diseños y en la ingeniería en la mayor parte de los casos, es una limitación que forma parte de las leyes de la naturaleza. Si se pudiese diseñar una máquina que extraiga más energía que lo permitido por la segunda ley, entonces también se podría diseñar un refrigerador que enfríe aun cuando no esté encendido. Niveles de energía. Desde el punto de vista filosófico la Segunda ley nos indica que la naturaleza tiene ciertos tipos o niveles de energía más útiles y otros menos útiles. El estado de energía menos útil es e l

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del reservorio frío que recibe toda la energía disipada. Una vez que la energía se encuentra en este reservorio no puede ser reutilizada para hacer trabajo útil. La muerte. El envejecimiento y la muerte son buenos ejemplos de la direccionalidad de la naturaleza y manifiestan la importancia de la Segunda ley de la termodinámica en nuestras vidas. Los biólogos dicen que el envejecimiento es un proceso evolutivo que permite la sobrevivencia de las especies. La entropía nos lleva a considerar la muerte del Universo, ya que este es el único sistema verdaderamente aislado y cerrado que conocemos. Llegará una época en que todas las estrellas se hayan enfriado y la temperatura en todo el Universo sea uniforme; en este momento la entropía será máxima ya que el reservorio de alta temperatura estará vacío y el de baja temperatura estará totalmente lleno; entonces se produce la muerte térmica del Universo y este muere, pero no desaparece.

BIBLIOGRAFÍA

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DEL ORDEN AL DESORDEN

PREGUNTAS DE REPASO

1. ¿Comenta sobre los significados de la segunda ley de la termodinámica? 2. ¿Cómo se relacionan los cambios con la termodinámica? 3. ¿Qué relación existe entre la máquina de vapor y el funcionamiento del Universo? 4. Explica en qué consiste el Principio de Carnot. 5. ¿De qué depende la eficiencia de una máquina térmica? 6. ¿Por qué se desbarató la teoría del caloricum? 7. ¿Qué es la entropía según Clausius? 8. ¿Cómo relacionó Clausius la entropía y la energía? 9. ¿Qué son los cambios de estado? 10. ¿Cómo se entienden las estructuras disipativas? 11. ¿Cuál es el significado de energía degradada? 12. ¿Cuáles son los tres principios de la segunda ley? 13. ¿Qué significado tiene la energía en la economía? 14. ¿Qué dice el paradigma del equilibrio? 15. ¿En qué consiste la homeostasis? 16. ¿Qué se entiende por estructuras auto-organizadas? 17. ¿Qué son los niveles de energía? 18. ¿Cuáles son las limitaciones del Universo? 19. ¿Qué es la muerte térmica? 20. ¿Qué relaciones hay entre economía y termodinámica?

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INVESTIGACIÓN

1. El estudio de la termodinámica incluye la transformación de energía en trabajo y cómo esta energía se degenera en formas cada vez más inútiles y menos sofisticadas. Explica este hecho con el ejemplo de los automóviles. 2. Sabemos que en el Universo la cantidad total de materia y energía se mantienen constantes pero que el desorden o la entropía está siempre en aumento. Investiga las consecuencias que tiene esto para el futuro del Universo. 3. ¿Qué contradicción existe entre la entropía y la autoorganización de la vida? Explica esto con ejemplos. 4. Investiga las maneras por las cuales la energía térmica se puede transferir de un reservorio frío a uno caliente. 5. Investiga y explica cómo se puede mejorar la eficiencia de una máquina térmica. 6. Investiga qué efectos tienen las energías degeneradas. 7. Investiga y explica las ventajas y desventajas que pueden tener la utilización del hidrógeno como combustible en lugar del petróleo. 8. Investiga y explica las teorías del envejecimiento y la muerte y decide cuál es la más plausible. 9. Investiga y explica las relaciones que existen entre la entropía y las probabilidades. 10. Investiga y explica las relaciones entre la entropía y el desorden.