Entropía I

21 septiembre, 2010

Autor: Darío

Muchas palabras provenientes de las ciencias físicas han sido y siguen siendo utilizadas en áreas del conocimiento humano. Relatividad, agujeros negros, velocidad, aceleración, masa, peso y otras más, aprendidas en algún momento de nuestra formación escolar y a veces de manera muy tediosa, han pasado a ser parte de nuestro lenguaje cotidiano aunque muchas veces ya no recordamos (si entendimos algo) su origen y otras más hemos acabado por darles un significado totalmente diferentes por no decir opuestos a su significado físico. Y la palabra entropía no escapa a esta descripción.

¿Por qué pasa esto?

Es difícil decirlo. Muchos de los conceptos de la física, al menos de la física no relativista ni cuántica, si bien ciertamente no son conceptos difíciles sí son sutiles y la enseñanza formal escolarizada, por su propia dinámica y por otros fenómenos que no vienen al caso en esta discusión, no facilita precisamente a los estudiantes darse tiempo de percibir estas sutilezas y también es cierto que muchos profesores tampoco han tenido la posibilidad, en su formación, de percibir en toda su extensión todo el contenido de las ciencias físicas y mucho menos saben como transmitirla a sus alumnos. El escrito con el que pretendemos iniciar una serie de cuestiones sobre la termodinámica clásica no puede pretender romper con semejantes inercias, a lo más intentaremos dar algunos elementos que se han ido adquiriendo en el proceso de estudio y esperamos poder contribuir, modestamente, a los amables lectores de La Ciencia y sus Demonios, con algunos elementos que les ayuden a entender un poco mejor los temas aquí tratados y en los cuáles la termodinámica clásica, y en especial la entropía, se han visto utilizados.

Como todos nuestros amables lectores bien lo saben, La Ciencia y sus Demonios nació como un colectivo de varios interesados en la ciencia y en su divulgación. Debido a la formación y el trabajo de la mayoría de los integrantes de este proyecto, la Biología se ha constituido en el tema predominante de las notas, entrevistas, opiniones y ensayos aquí expuestos, en donde las cuestiones relativas al Origen de la Vida y la Teoría Sintética de la Evolución ocupan un lugar predominante. Por lo mismo, una serie de personas y colectivos que por razones estrictamente filosóficas y/o religiosas se oponen a lo que las ciencias biológicas tienen como base de trabajo, han expuesto con más o menos fortuna su oposición sobre todo a la Teoría Sintética. En sus argumentos, estas personas y colectivos han expuesto sus puntos de vista varias veces tratando, y remarcamos tratando, de hacer uso de ciertos conceptos científicos como el de la Entropía, y de manera más o menos reciente, un anexo que para ellos está identificado como sinónimo o paralelo al de Entropía: el de Información. Y los utilizan sobre todo para negar la posibilidad de la validez teórica y/o experimental de la Teoría Sintética, o, y a veces junto con lo anterior, para meter de trasmano una especie de Inteligencia Superior (¿Dios aristotélico?) bajo cuya responsabilidad la vida, en su origen y en su evolución sería creada por esa Inteligencia Superior anulando, según ellos, de paso, la posibilidad de cualquier evento “azaroso” (da la impresión de que ellos asocian Azar a Caos Primordial – que no tiene que ver algo con lo que se entiende en las Teorías del Caos matemático). Y la pregunta obligada es: ¿qué tan válido es esto que ellos -los opositores a la Teoría Sintética- pretenden al usar la Entropía y las teorías de la Información de la manera en que lo hacen?

Si se desea hacer justicia a sus afirmaciones, y dar elementos válidos desde lo que nos parece que la Termodinámica clásica plantea, no podemos dar una respuesta definitiva en este artículo. Aquí daremos algunos elementos de discusión y en las posteriores entregas haremos reflexiones acerca de las Leyes de la Termodinámica, trataremos de profundizar en el concepto mismo de Entropía, veremos las leyes de la conservación de la energía y de la materia, reseñaremos algunos libros y textos que consideramos fundamentales con la invitación de que los lectores de La Ciencia y sus Demonios se animen a leerlos por su cuenta (muchos seguro lo harán) y buscaremos todos los elementos anexos que sean necesarios para sustentar nuestra discusión y probar, efectivamente, lo que ya se les ha dicho a aquellos opositores de una manera u otra: que están totalmente equivocados en sus planteamientos, que no conocen nada o casi nada de lo que hablan, que de lo poco que parece entender lo entienden mal, y que un buen entendimiento de los principios físicos de la termodinámica clásica no anulan, bajo ninguna circunstancia, la validez de la Teoría Sintética. Esperamos lograrlo, no por qué los opositores vayan a cambiar (los integristas cristianos y sus compañeros de viaje de la izquierda irracional han demostrado ser más necios que cualquier otro) sino por qué, insistimos, queremos darle a los estudiantes y estudiosos de estos temas algunos elementos que les ayuden a entender un poco mejor lo que aquí se tratan constantemente, y armas para la discusión con esos necios.

He de aclarar que quien escribe esto se encuentra formándose en matemáticas y no en ciencias físicas. En caso de algún error -qué seguramente existirá, pedimos a los físicos e ingenieros en formación y ya titulados, que frecuentan La Ciencia y sus Demonios, que nos lo hagan saber para corregirlos inmediatamente. Sería bueno que este asunto fuera una construcción de conocimiento colectiva.

Entremos en materia

La primera cosa que queremos poner en claro es que para entender las ideas asociadas a la termodinámica clásica no necesitamos contar con grandes conocimientos de física y matemáticas, bastará lo que recordemos de nuestra enseñanza básica:

Usted no necesita tener un gran conocimiento de matemáticas, física o química. Las únicas cosas que necesita conocer son: cómo contar (¡matemáticas!), que la materia se encuentra compuesta de átomos y moléculas (¡física y química!) y que los átomos no se distinguen entre sí (¡esto es física avanzada!)

nos dice en su libro “Entropy Demystified. The Second Law Reduced to Plain Common Sense” el físico israelí Arieh Ben-Naim. Estaremos hablando, además, como bien nos dice el físico mexicano Leopoldo García-Colín Scherer de conceptos concretos como el de entropía: “ … elusivo y resbaladizo como aparenta, (que) no obstante es muy preciso.” (Realidad e incertidumbre en la física). Invitamos a los lectores a que tengan como norte estas dos ideas.

Ahora bien. Es frecuente que la idea que tenemos de entropía se encuentre asociada a la de desorden, es decir, por alguna razón u otra, cuando oímos o leemos la palabra entropía pensemos o creamos que hablamos de una cierta tendencia al desorden que un cuerpo, o un sistema, se encamina invariablemente. Pedimos a los conocedores del tema su indulgencia y obviemos en este momento los antecedentes necesarios de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica y el hecho de que no hemos dado, hasta este momento, ninguna definición formal (lo haremos posteriormente en los siguientes escritos) y fijemos la atención, en este momento, en la palabra desorden. Aceptemos ahora que es posible obtener un consenso de la palabra desorden, que todos lo entendemos como falta o ausencia de orden, es decir, podemos aceptar en este momento sin ningún problema que las palabras Orden y Desorden son antinomias, y preguntemos ahora: ¿Existe en la termodinámica clásica un concepto de orden?

La respuesta a esta pregunta es no:

“ (…) muy a menudo leemos en la literatura y a veces de físicos eminentes, que la entropía es una medida del desorden. Esto no sólo es metafórico, es completamente falso. Para hablar de “desorden” primero hay que definir “orden”, y esto, como cualquier lector lo adivinará, es completamente subjetivo. ¿Qué es orden? Aparte de la connotación moral o ética de la palabra, no es posible definir orden unívocamente. Luego, hablar de desorden es vago, incierto”.

(Leopoldo García-Colín)

“¿Por qué un sistema podría ir del orden al desorden? Orden y desorden son conceptos intangibles, en dónde la entropía fue definida en términos de calor y temperatura. El misterio del perpetuo incremento del desorden en (el) sistema no resuelve el misterio de la entropía”

( Arieh Ben-Naim)

Entonces, ¿cómo se llegó a semejante concepto que asocia la entropía al desorden?

En escritos posteriores veremos que posiblemente la razón de este asunto se encuentre en el origen mismo del estudio de la termodinámica, ya que ésta disciplina de la física, a diferencia del electromagnetismo, por ejemplo, nace posteriormente al esfuerzo que grandes ingenieros como Carnot hicieron para construir máquinas térmicas eficientes. También hay que tomar en cuenta que cuando se empezaron a formar y resolver los grandes problemas asociados a lo que ahora conocemos como termodinámica clásica, el concepto de la estructura atómica de la materia no se aceptaba plenamente. La conjunción de esto más el hecho de que a veces algunos físicos e ingenieros contribuyen a esta asociación, ha mantenido la entropía y el desorden en un binomio que no se sostiene. Conforme avancemos en la definición de conceptos y en la misma historia de la termodinámica clásica sustentaremos mejor esto que escribimos.

Y entonces, ¿qué hacemos ahora? Al parecer la idea que teníamos de entropía está equivocada.

Pensemos, de manera provisional, tratando posteriormente de darle sustento a este pensamiento, en la estructura atómica y molecular de la materia. En términos generales, de acuerdo a lo que recibimos de nuestra educación básica (el norte que no debemos olvidar) sabemos que toda la materia está formada por átomos. Y que con estos átomos podemos formar moléculas. Quizás recordemos que los griegos en sus discusiones filosóficas planteaban hasta qué punto podemos dividir un objeto y seguir teniendo ese mismo objeto. Recordemos de algunas de nuestras clases de química básica la existencia de un inglés, Dalton, que planteaba que si aceptamos la existencia de la estructura atómica de la materia era posible plantear, para entender como la mezcla de dos o más sustancias en las proporciones adecuadas daba origen a otra, una serie de reglas básicas. Recordamos la existencia de un ruso, Mendeleiév, que con osadía de quien sabe bien su trabajo empezó a a darle orden a lo que ahora conocemos como la Tabla Periódica de los Elementos. Quizás por hay nos suene algo de llamado Número de Avogadro. Ahora, conjuntando todos estos recuerdos, plantearemos esto: la manera en que la materia se organiza de acuerdo con todo lo anterior tiene ciertos grados de libertad, ciertas restricciones, ciertos límites que marcan esa organización de acuerdo a las leyes arriba mencionadas y a las de la termodinámica clásica. Para decirlo de otra manera: podemos poner la materia como queramos siempre y cuando no pasemos de estos límites. Por ejemplo, el aire de la habitación en la que se encuentran pueden hacerlo “más húmedo” o “más seco”, hacerlo que se mueva más rápido con un ventilador o meterlo en un recipiente con una bomba de vacío, combinarlo con el humo de un cigarrillo por aquellos que fuman. Pero no dejaría de ser aire, ¿estamos de acuerdo?

“¿Y qué tiene que ver esto con la termodinámica clásica, y más con la entropía?”, seguramente más de uno de los amables lectores de La Ciencia y sus Demonios se estará preguntando.

Suele decirse que la entropía termodinámica expresa el desorden de un sistema físico. En 1877 el físico austriaco Ludwig Boltzmann la caracterizó más precisamente como el número de estados microscópicos distintos en los que pueden hallarse las partículas que componen un trozo de materia de forma que siga pareciendo el mismo trozo desde un punto de vista macroscópico.

.” (Resaltado nuestro. Jacob D. Bekenstein. La Información en el Universo Holográfico ). O sea: pongan el aire como quieran, “combínenlo” químicamente con el material que sale de un cigarrillo, pero el número de estados microscópicos (limitado) con los que podemos jugar nos siguen indicando que tenemos, “macroscópicamente” hablando, aire.

Y hay más.

Seguramente a más de uno de nuestros amables lectores no se les habrá escapado las condiciones de nuestro experimento mental anterior: estamos presuponiendo un “sistema cerrado”. Sin entrar en este momento en definiciones de sistemas abiertos y cerrados, sistemas adiabáticos y demás, nuestro “sistema” presupone, sin decirlo, que no hay relación alguna con el exterior de nuestra habitación donde se encuentra el aire con el que estamos “experimentando”. Esto es así por qué la termodinámica clásica habla de sistemas cerrados en donde la entropía nunca decrece, debido a que la Segunda Ley de la Termodinámica indica que la mayoría de los procesos naturales son irreversibles:

Una taza de té cae de la mesa y se rompe: nadie ha visto jamás que los trozos salten del suelo y recompongan la taza. La segunda ley de la termodinámica prohíbe la inversión del proceso. Establece que la entropía de un sistema físico aislado nunca decrece, en el mejor de los casos, permanecerá constantemente; por lo normal, aumentará. Esta ley es esencial para la físico-química ya la ingeniería; cabe sostener que es la ley física que más se tiene en cuenta fuera de la propia física”

. ( Jacob D. Bekenstein).

Hay muchas cosas en lo anterior que están mencionadas, no definidas y a las que hay que darles sustento posteriormente. De momento, lo que queremos subrayar es que la entropía no es “ninguna tendencia al desorden de parte de la naturaleza” como puede resumirse los argumentos absurdos de los creacionistas, “diseñointelegentiosos” y demás irracionales. Tentativamente, podemos plantear, basándonos en lo anteriormente descrito y en los ejemplos de la taza y el aire, que la entropía es una medida de la falta de organización de un sistema macroscópico AISLADO Y CERRADO. Y aclaremos algo muy importante: los sistemas vivos, los animales, por ejemplo, NO SON SISTEMAS AISLADOS Y CERRADOS, POR LO CUAL NO SE LES PUEDE APLICAR LO QUE ACABAMOS DE VER DE LA ENTROPÍA Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA CLÁSICA. Posteriormente veremos por qué.

En otras palabras: pretender usar la entropía y la termodinámica clásica para desprestigiar la Teoría Sintética es absurdo. Así de sencillo.

Terminaremos esta discusión con una breve mención al asunto conocido como teoría de la Información.

Cuando el estadounidense C. E. Shannon planteó en 1948 su teoría de la información era, por las condiciones de su mismo planteamiento, normal que la asociase a la entropía de la manera en que Boltzmann la había definido. Pero Shannon nos lo presenta básicamente como una medida objetiva de la cantidad de información, en donde el valor de la información que depende mucho del contexto en el que se está presentando ésta, no tiene que ver algo con la cantidad de la misma. La pretensión de usar la teoría de la información como pretenden hacer los que defienden el asunto filosófico-religioso del diseño inteligente pretende olvidar (si la conoce) esta diferencia y concentra su esfuerzo en el aspecto del valor contextual de la información dejando de lado la medida objetiva de la cantidad. Solamente así pueden pretender hablar de “algo superior” que “diseña” los procesos naturales. O sea, a partir de su valuación subjetiva de lo que ellos pretenden entender del discurso natural, pretenden que todos aceptemos una “voluntad superior” que permite “analogías” como la del hombre que construye motores o la reivindicación del inútil discurso del clérigo y su eterno reloj. Como simple y sencillamente no pueden presentar “pruebas” de “inteligencia superior”, no les queda más que fastidiar con sus eternos circunloquios pseudo-filosóficos.

Hasta aquí la dejamos. Esperamos que nos acompañen en los siguientes textos, y si hay errores o cosas que debemos modificar o ajustar, y son parte de las reglas del discurso científico conocido, con gusto lo hacemos.

.

Entradas relacionadas:

.

TEXTOS UTILIZADOS:

Jacob D. Bekenstein. La Información en el Universo Holográfico. Scientific American Latinoamérica, año 2 número 15, páginas 38-45. Octubre 2003.

Leopoldo García-Colín Scherer. Realidad e incertidumbre en la física. Discurso ante El Colegio Nacional de México, s/f.

Arieh Ben-Naim. Entropy Demystified. The Second Law Reduced to Plain Common Sense. World Scientific Publishing, Singapure, 2007.


  1. Uno
    21 septiembre, 2010 de 11:17

    Enhorabuena dario, muy bien explicado.
    Yo soy físico. Aunque no he estudiado nada de Teoría de la Información, siempre he sonaba raro cuando alguien apelaba a la termodinámica y/o entropía para negar la Evolución. Mis nociones sobre entropía se reducen a lo que aprendí en Termodinámica y en Física Estadística, dos asignaturas de la carrera.

  2. albireo beta cygni
    21 septiembre, 2010 de 11:52

    Hola, Darío. Me ha gustado, en general, tu exposición. Sin embargo, te pido que en tus siguientes textos te apiades de nosotros (tus incondicionales lectores) e introduzcas un mayor número de párrafos, acortes algo la longitud de las oraciones y, sobre todo cuando introduzcas o expliques conceptos importantes, trates de ser mas directo en su exposición, evitando subordinaciones o empleando mas puntuación.

    Me refiero a frases tuyas como esta:

    “Pero Shannon nos lo presenta básicamente como una medida objetiva de la cantidad de información, en donde el valor de la información que depende mucho del contexto en el que se está presentando ésta, no tiene que ver algo con la cantidad de la misma.”
    (difícil de seguir, ¿no?).

    O la siguiente:

    “La pretensión de usar la teoría de la información como pretenden hacer los que defienden el asunto filosófico-religioso del diseño inteligente pretende olvidar (si la conoce) esta diferencia y concentra su esfuerzo en el aspecto del valor contextual de la información dejando de lado la medida objetiva de la cantidad”
    (¡uff!, alguna coma, por favor) (y, a lo mejor, algún sinónimo de pretender).

    Te pido disculpas por esta crítica, que ha pretendido ser constructiva.
    Ya estoy esperando la continuación…

  3. IsmaelLabrador
    21 septiembre, 2010 de 13:37

    Nunca he entendido la relación entre entropía y Teoría Sintética tal y como la plantean algunos creacionistas, pero creo que, dentro de la termodinámica, la entropía no dista mucho del concepto de desorden. El problema es que “desorden” tiene un significado en física distinto al que se le da en el lenguaje corriente.

  4. 21 septiembre, 2010 de 14:34

    Muy buen articulo. Sin embargo veo una pega. El concepto de orden en Fisica esta bien definido. Un sistema esta mas ordenado que otro cuando el numero de variables por componente necesarias para describirlo totalmente es menor. Asi, para describir, por ejemplo un cristal, solo hace falta conocer la posicion de un atomo (tres variables) y el tipo de cristal. Si la misma sustancia se evaporara, haria falta conocer la posicion de todos sus atomos.

  5. Ontureño
    21 septiembre, 2010 de 15:31

    Buenas, el artículo me ha gustado, al menos su planteamiento. Soy Físico y nunca me ha gustado cómo se mezcla la Física Estadística con la Termodinámica cuando se “habla relajadamente”, y eso incluye muchos libros y profesores. Creo que esta serie de artículos puedes ser tremendamente esclarecedora al respecto.

    Pero un par de críticas, por aquello de ser constructivo xD:
    – se me hace empalagoso tanto “como nuestros amados lectores” y demás peloteo al sufrido lector. Pareces un abogado convenciendo a un jurado. Acho pijo ya, deja la retórica a los premios Planeta y ve a la chicha, que si puedes contar lo mismo usando 10 palabras menos es una ventaja en un medio como internet, jeje
    – aunque el artículo pretende ser introductorio, es confuso y superficial. Va picoteando de aquí y de allá, sin definir las cosas claramente (dices que se hará luego varias veces) y hablando de todo un poco, mezclando churras con merinas y contribuyendo en mi opinión al jaleo que pretende solventar. Esperemos que en las próximas entradas entréis más a la chicha y dejéis clara la diferencia entre Termodinámica y Física Estadística.

  6. 21 septiembre, 2010 de 15:51

    Muy bueno, Darío, una explicación clara.

    No se si será que a mi en particular no me ha servido para nada, pero estoy completamente de acuerdo en que la explicación del concepto de entropía en términos del de orden, lo único que hace es confundir todavía más. Supongo que está tan difundida la idea porque, ciertamente, hay sistemas en los

  7. 21 septiembre, 2010 de 15:54

    ESTE ES EL BUENO.

    Muy bueno, Darío, una explicación clara.

    No se si será que a mi en particular no me ha servido para nada, pero estoy completamente de acuerdo en que la explicación del concepto de entropía en términos del de orden, lo único que hace es confundir todavía más. Supongo que está tan difundida la idea porque, ciertamente, hay sistemas en los que pueden relacionarse las dos cosas muy facilmente (como en el caso del “paramagneto ideal”).

  8. Rhay
    21 septiembre, 2010 de 16:21

    Dario: ¡PLAS, PLAS, PLAS, PLAS! ¡Enhorabuena, cuate! 😀

    Estoy deseando leer las próximas entregas…

    Mientras tanto, recomiendo un libro muy suave hecho para legos como yo en temas científicos: Cinco Ecuaciones que cambiaron el Mundo, de Michael Guillén. Su penúltimo capítulo lo dedica a Rudolf Clausius y su contribución a la Termodinámica y el concepto de Entropía.

  9. yo mismo
    21 septiembre, 2010 de 16:56

    ¿A alguien se le ha colado un borrador? Si esto intentaba ser facil no quiero ni pensar en como seria dificil.

  10. Ibeth
    21 septiembre, 2010 de 19:17

    Darío ven acá >=/

    En este blog obedecemos las leyes de la termodinámica:

  11. Maurizio
    21 septiembre, 2010 de 19:33

    No ha estado mal, pero mi madre, qué cantidad de ortografías en una persona adulta! Y un texto muy lioso, sin estructuración coherente. Coincido con Ontureño. A mí, que no soy muy bueno en física, no me ha aclarado gran cosa, al contrario, me ha liado aún más. Pero se te agradece el esfuerzo, porque lo has hecho con buena intención.

    Salud

  12. Kratso Cuantico
    21 septiembre, 2010 de 21:09

    El texto muy bueno, pero… quizás te ayudaría seguir los pasos que sigue Pedro Gómez-Esteban en eltamiz.com, la gente que no sabe mucho de física te lo agradecería mucho.
    PD: tal y como lo he escrito parece que no se mucho del tema 😛

  13. Darío
    24 septiembre, 2010 de 19:51

    Uno, Nicolás, Kratso Cuantico, Rhay:

    Gracias por sus palabras, espero que sigan leyendo lo que viene. Veré lo de Pedro Gómez-Esteban para ver si le entiendo.

    Maurizio: 🙂 agradezco que veas la buena intención. Pido tu paciencia para lo que sigue esperando que en algún momento encuentre el “hilo rojo” de la coherencia. 😛

    Y cuidaré más la ortografía.

    Ortuño:

    Cuando pensé en este escrito pensé en como comunicarlo a personas que frecuentan este lugar pero que no tienen conocimientos de física. Seguramente exageré y trataré de corregirlo en las siguientes entregas.

    Con respecto al asunto de la Termodinámica y la Física Estadística, tienes razón. No son lo mismo. Es curioso que un área del conocimiento de las ciencias físicas, la termodinámica clásica, se vea tan afectada de los más variados sinsentidos, y este que mencionas es otro de ellos. Ya me dirás tú como físico si conseguí poner en claro algo (yo no lo soy).

    Y trataré de ser “menos abogado” y más directo, esperando seguir teniendo la atención de los que no están involucrados en esto, ya sea por profesión, ya sea por interés.

    IsmaelLabrado: En realidad, si puede establecerse una relación entre ambos temas, mi estimado, pero no en la forma en que los creacionistas y los diseñointelegentiosos pretenden. Espero que posteriormente esto quede claro.

    Ibeth: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen:

    Con semejantes argumentos, nada que hacer. Si mis escritos no sirven siempre estará Homero y sus cervezas para salvar la acción. 🙂

    Un abrazo.

    A todos: Gracias por sus comentarios. Todos son tomados en cuenta.

    Y si este trabajo no funciona, al menos dejaré material para ver si alguien encuentra la cuadratura del círculo, y yo no soy bueno para la física.

  1. No trackbacks yet.
Los comentarios están cerrados.
A %d blogueros les gusta esto: