Universidad de Córdoba. Facultad de Ciencias. Área de Ingeniería Química.
Isidoro García García
OPINIÓN Y LECTURAS VARIAS RECOMENDADAS
LECTURA RECOMENDADA
Cinco ecuaciones que cambiaron el mundo. El poder y belleza de las matemáticas.
Por Michael Guillen - Editorial Debate S.A. - ISBN: 84-8306-228-3.
En el capítulo dedicado a Rudolf Julius Emmanuel CLAUSIUS...
En los rigurosos experimentos de Joule vio la base fáctica y en las conjeturas extravagantes de Maller la base filosófica de un modo de pensar en el calor completamente nuevo.
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Comenzó su monumental esfuerzo en 1850 publicando un larguísimo artículo con un larguísimo título: “Sobre la fuerza motriz del calor y sobre la leyes que pueden deducirse de ella para una teoría del calor”. Clausius planteaba la teoría de que el calor y el trabajo no eran sino dos variantes de un mismo fenómeno que luego se llamó energía (nombre sugerido por el dubitativo Thomson). Dicho de otro modo, calor y trabajo eran fundamentalmente lo mismo, pudiendo intercambiarse una unidad de trabajo por un una unidad de calor sin que eso afectara al total de la energía del Universo.
Era como si Clausius sugiriera que piedras y personas no eran sino dos variantes de un mismo fenómeno llamado materia. Según esta manera de pensar, las piedras y las personas eran esencialmente lo mismo y se podía intercambiar un peso de piedras por otro igual de carne sin que ello afectara al peso total del Universo.
No se detenía ahí. Así como había muchas otras variantes de materia, como cuero, madera, metal y demás, había muchas variantes de ese fenómeno esencial llamado energía. Además del calor (energía térmica) y del trabajo (energía mecánica) había energía solar, energía eléctrica y energía acústica, por mencionar sólo unas pocas.
Según Clausius, en el enigmático experimento de Joule, la energía eléctrica se transformaba en energía térmica; es decir, mientras el cable se calentaba, la electricidad que fluía se reducía con un reciprocidad exacta. De modo más general, una unidad de cualquier tipo de energía podía transformarse en otra unidad de cualquier otro tipo de energía... sin afectar a la energía total del Universo.
Este novedoso concepto llegó a denominarse Ley de Conservación de la Energía según la cual la energía no puede crearse o destruirse sino sólo transformarse de un tipo a otro. La energía total del Universo era una constante auténtica de la vida, según la conclusión a la que llegó Clausius; lo único que realmente cambiaba era la mezcla de las diferentes clases de energía.
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No había máquina aparentemente capaz de funcionar sin fallos, de convertir el 100 por 100 de su combustible en trabajo útil. A no ser que se pudiera eliminar la fricción o crear un aislamiento térmico perfecto, daba la impresión de que Carnot había estado en lo cierto: las máquinas reales siempre funcionarían muy por debajo de su potencial ideal, teórico.
Sin embargo, Clausius insistía en que, incluso con aquel derroche inherente a su funcionamiento, las máquinas obedecían a la Ley de Conservación de la Energía. Por ejemplo, en el caso de una máquina de vapor corriente, que resoplaba por todas partes, la energía térmica total que entraba en la caldera caliente era exactamente igual al trabajo (energía mecánica) producido por los pistones más la energía disipada (energía térmica)
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... sin embargo, sus conclusiones resultarían no ser nada tranquilizantes: por el contrario, más bien eran inquietantes.
Su razonamiento comenzaba recordando los dos familiares ejemplos del comportamiento irreversible del calor. En primer lugar, el calor parecía fluir naturalmente de lo caliente a lo frío y nunca de lo frío a lo caliente. En segundo lugar, la fricción cambiaba el movimiento mecánico en calor; no parecía haber en la Naturaleza un proceso comparable que trocara el calor en movimiento mecánico.
Clausius observaba que, en esencia, este comportamiento asimétrico del calor representaba dos tipos diferentes de cambio. Uno representaba un cambio de temperatura (energía térmica fluyendo de lo caliente a lo frío). El otro representaba un cambio de energía (energía mecánica que se transformaba en energía térmica por medio de la fricción).
El cambio de energía ¿era básicamente distinto del cambio de temperatura? se preguntaba Clausius. Le recordaba una pregunta parecida que se había hecho hacía años cuando analizaba las máquinas de vapor, a saber:”¿Un incremento de calor es básicamente distinto de un incremento de trabajo?” Recordaba que había propuesto con atrevimiento que no eran lo mismo, que eran dos variantes de una misma cosa: incrementos de energía. Esa afirmación le había conducido a Ley de Conservación de la Energía.
Por analogía, Clausius decidió entonces proponer algo que tenía ese mismo alcance: los cambios de energía y de temperatura, como los que se daban en el comportamiento irreversible del calor, no eran sino variantes de un misma cosa: cambios de entropía. “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”.
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Clausius proponía entonces que existía un fenómeno aún mayor y más amplio que la energía. Imaginaba que la entropía abarcaba no sólo todas las variantes de energía sino también la temperatura: definiendo la temperatura, como siempre, por la lectura de un termómetro corriente.
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... todos los cambios naturales (cambios de energía y temperatura que se daban espontáneamente en toda la Naturaleza, sin coerción alguna) se considerarían cambios positivos de la entropía.
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... A la inversa, todos los cambios antinaturales (cambios de energía y de temperatura que ocurrían solamente cuando se obligaba a la Naturaleza mediante algún tipo de máquina) serían considerados como cambios negativos de la entropía.
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Todos los cambios positivos y negativos de la entropía que se daban en las máquinas reales del Universo siempre daban como resultado un incremento de la entropía. ¡Siempre!
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Clausius reflexionó melancólico que durante un breve tiempo se había equivocado al pensar en descubrir un Ley de Conservación de la Entropía. Pero esa ley sólo se aplicaría a un Universo perfecto, a un Universo lleno de máquinas ideales (lo cual quería decir máquinas de movimiento perpetuo) en la que las cosas nunca envejecían sino que eran eternas. En ese Universo hipotéticamente ideal, la entropía era una constante de la vida, como la energía.
Pues bien, suspiró Clausius, ese no era nuestro Universo. El nuestro estaba lleno de máquinas imperfectas, fueran animadas y minúsculas, como las células de nuestro cuerpo, o inanimadas y gigantescas, como las galaxias espiral de los cielos. El nuestro era un Universo en el que la energía se conservaba pero no se aprovechaba con sublime eficiencia...
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¡su nueva ley era la primera explicación científica de por qué envejecía todo en el Universo y terminaba por morir!
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Boltzmann había demostrado matemáticamente que la entropía era una medida del desorden. Había llegado por tanto a la conclusión de que la Ley de la No Conservación de la Entropía de Clausius significaba que el Universo se iba haciendo más caótico conforme se atemperaba.
Lo cual suponía, desde luego, que el Universo debía haber empezado en una tensión suma y como algo sumamente organizado: como si hace miles de millones de años algo o alguien hubiera construido un reloj de cuerda soberbiamente diseñado y le hubiera dado toda la cuerda posible: al igual que aquel reloj, el Universo estaba en el proceso de ir cada vez más despacio, perdiendo cuerda, relajándose lentamente, descomponiéndose cada vez más.
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...las regiones de diferentes temperaturas iban mezclándose unas con otras y las máquinas se quedaban sin combustible, deteriorándose y fundiéndose con el terreno circundante. Hasta el propio suelo firme (de hecho, todos los sólidos y también los líquidos) iba disociándose gradualmente, convirtiéndose todo, en último extremo, en un batiburrillo de gases tibios inclasificables.
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