El Cosmos desordenado

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La primera ley de la termodinámica versa que la energía no se crea ni se destruye. Vivimos en un Universo en el que están permitidas las transformaciones de unos tipos de energía en otros, pero donde no varía la cantidad total de la misma. Se trata de algo bastante introducido en la cultura popular, pero ¿qué entendemos realmente por energía y que implicaciones tiene esta ley?

Desde un punto de vista termodinámico, la energía es la capacidad para realizar un trabajo. Expresada así incluso habrá quien la vea como una definición muy acertada, dado el enorme esfuerzo requerido para irse a currar el pan de cada día. En realidad, el trabajo que aquí nos importa significa mucho más que madrugar para irse a la facultad o a la oficina, siendo el producto de la fuerza aplicada sobre un cuerpo por el desplazamiento del mismo. El caso es que el concepto de energía, aún siendo ampliamente utilizado y entendido, se trata de algo bastante abstracto para nuestros ojos. Así, aunque en libros y documentales se represente como una especie de nubosidad que va pasando de un sistema a otro, en realidad nosotros sólo seremos partícipes de las variaciones en ciertos procesos, sin llegar a ver en sí a la energía que los mueve. No obstante sí que podemos notar su presencia y casi que paradójicamente, podríamos afirmar que todo lo que tenemos a nuestro alrededor es eso: energía, o al menos energía en potencia. De ello se percató por primera vez un inteligente señor de pelo alborotado llamado Albert Einstein, quien propuso en 1905 que E=mc2 (donde E es la energía, m la masa y c2 la velocidad de la luz al cuadrado); “expresión tan ampliamente citada como escasamente comprendida” en palabras de Carl Sagan. Dicha ecuación establece, en resumidas cuentas, que la masa y la energía son interconvertibles y que pequeñas cantidades de materia albergan cantidades enormes de energía. Para entenderlo no hay más que pensar en el poder de destrucción que tienen las bombas atómicas.

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Por Tania M.T.

Todos los días apreciamos transformaciones de unos tipos de energía en otros y, sabemos además, que por mucha energía que apliquemos sobre los cristales, el vaso no se recompondrá y subirá a la mesa, sino que continuará roto en el suelo. Es decir, existen muchas transformaciones que son unidireccionales. Es a este nivel donde interviene el segundo principio de la termodinámica, el cual nos indicará el sentido de los cambios. Se trata de una de las leyes más inquebrantables de la física y afirma, sencillamente, que el Universo tiende con el paso del tiempo a un estado cada vez más desordenado. Cuando en pleno apogeo industrial  los científicos del siglo XIX encontraron esta ley, acababan de descubrir que nuestro Cosmos (del griego: “orden” o “armonía”), lejos de ser un sistema ordenado, se aproximaría a un sistema caótico desde la perspectiva termodinámica. En 1943 el físico Erwin Schrödinger expresó en su libro “¿Qué es la vida?” su asombro acerca de cómo los organismos vivos logran prosperar en formas tan organizadas y complejas, mientras en el resto del Universo impera un caos cada vez mayor. Como veremos, se trata sólo de una paradoja aparente que se resuelve cuando analizamos más de cerca la cuestión.

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Café con sacarosa. Por Tania M.T.

De acuerdo con la ley que acabamos de ver, para que un proceso sea espontáneo tendrá que producirse un incremento en el desorden molecular del Universo. En muchas ocasiones la espontaneidad e irreversibilidad de las transformaciones se explica por la tendencia a estados de baja energía. Esto se aprecia muy bien con el agua de nuestros ríos, que a medida que fluye pasivamente por acción de la gravedad va liberando energía, la cual aumenta el desorden molecular de los alrededores y por lo tanto de Universo. No obstante, aunque esto puede ser clave en ciertos procesos, no lo será en todos. Por ejemplo, nos vamos a un bar y pedimos un café con hielo. Al introducir con una cucharilla los pequeños cristales de azúcar en nuestro café las moléculas de sacarosa se disuelven, para gusto de nuestros quimiorreceptores. Algo parecido ocurre con el hielo, con la diferencia de que en este caso serían las moléculas de agua las que se separarían para pasar al estado líquido. En esta ocasión el sistema azúcar o hielo absorbe energía del entorno, produciéndose un incremento del caos molecular de nuestra taza, lo que explica por qué estos procesos son espontáneos.

Entonces, vemos como tanto una pérdida de energía como un aumento del grado de desorden (o entropía, en términos técnicos) de los sistemas facilita que los procesos ocurran, aunque no tienen por qué cumplirse necesariamente ambas cosas. Así, existen procesos naturales en los que disminuye la caoticidad de los sistemas sin que por ello se vea violada la segunda ley de la termodinámica. A modo visual, todo el mundo sabe que el agua líquida se convierte en hielo cuando se encuentra a menos de OºC. Pues bien, ¿por qué se produce esto sabiendo que el hielo es una estructura donde las moléculas de H2O se hallan dispuestas en redes tridimensionales muy ordenadas? La respuesta es que a esos valores de temperatura se produce la liberación de una importante cantidad de energía que, como la liberada por los ríos, incrementa la entropía. Es esto lo que permite la existencia de estructuras complejas en un mundo decadente como el nuestro y explica por qué a lo largo de la historia de la Tierra la materia se pudo ir moldeando en formas tan complejas como las vivas, mientras de forma paralela el resto del Universo se iba desordenando más y más. Por tanto, no es ninguna casualidad que muchos seres vivos presenten bastante más temperatura que el medio que los rodea: es necesario gastar energía calorífica para pagar al Universo con el precio de la organización.

Por otro lado, Schrödinger dejaba claro en su libro que  la vida no es el resultado de algo misterioso, que no existe una chispa mágica o algo por el estilo. La vida es un proceso; es la interacción entre la materia y la energía descrita por las leyes de la química y la física, las mismas leyes que describen la caída de la lluvia o el brillo de las estrellas. Tal y como comenta Brian Cox en el primer capítulo de la serie Wonders of life, “la energía es eterna, la energía que está aquí ahora siempre estuvo aquí, y la historia de la evolución del Universo es simplemente la historia de la transformación de esa energía de una forma a otra(…), y en algún punto de esa historia, hace unos 3500 millones de años, esa transformación de energía llevó al origen de la vida en la Tierra.” Hoy, en pleno siglo XXI, parte de esa energía es la que permite que este artículo pueda ser leído. El caos termodinámico es imparable y la flecha del tiempo apunta en una única dirección. No hay vuelta atrás, disfrutemos de este Cosmos desordenado.

 

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Álex Tuñas Corzón

Un enamorado de la vida en toda su expresión, por eso estudio biología y trato de que la gente vea lo bella y buena que es.

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