4 de marzo de 2014

¿Por qué la taza no vuela hacia arriba?



¿Por qué la taza no vuela hacia arriba?
¿Usted en este momento está sentado frente a su escritorio con una taza de  café caliente? Entonces no deseo que le suceda lo siguiente: Usted sin querer le da un empujón a la taza y esta se cae y se rompe, con lo cual el café se desparrama en la alfombra. Algo así es molesto, pero posible y posiblemente ya le sucedió alguna vez.

¿Pero también le sucedió lo siguiente? El café caliente, en la alfombra se enfría de repente. La energía liberada con esto,   la usa el café para fluir en dirección a la taza, la cual a su vez, también se enfría y regresa junto con el café a la mesa. ¿Imposible dice  usted? Desde el punto de vista energético es perfectamente posible. Partamos de la base que el café al igual que la taza, se enfrían en 70°C, entonces esto, aproximadamente correspondería a 1000 veces la energía necesaria para regresar a la superficie de la mesa. Entonces la posibilidad existiría.

Pero esto es inverosímil. Tan poco probable, que desde que existe el universo hasta ahora no ha sucedido en ninguna parte en el universo. Por lo tanto junta a la energía debe existir  otra magnitud, que determina el curso del universo. A esta magnitud se le llama Entropía.

¿Qué es esta entropía y que efectos tiene? ¿Y qué tiene que ver todo esto con la mecánica cuántica? Siga leyendo, en esta secuencia vamos a tratar este tema.



La tercera teoría


Las teorías físicas valen hasta que sean refutadas mediante experimentos.  De esta manera, a comienzos del siglo pasado, ensayos mostraron que la – actualmente llamada mecánica “clásica” – falla a dimensiuoines muy pequeñas. Hace falta una nueva teoría, la mecánica cuántica.


Igualmente se mostró, que la mecánica clásica no funciona cuando objetos se mueven a casi la velocidad de la luz. La teoría de la relatividad de Einstein reemplaza aquí a la mecánica clásica. Y a pesar de que ambas teorías no se pueden “unir” en una nueva teoría, ambas son consideradas correctas.


Existe una tercera importante teoría, que apareció hace unos 1oo años; la termodinámica. Esta teoría trata sobre la relación de las propiedades de macros sistemas. Para esto se usan magnitudes como el calor, el trabajo, la energía y también la entropía. Y también aquí vale: No hay nada que habla contra de  esta teoría. Con su sistema de ecuaciones diferenciales parciales, es coherente en sí, y “matemáticamente hermosa”.


Una para todo


La termodinámico explica el desenvolvimiento de todos los fenómenos macroscópicos – hasta el fin del universo – con cuatro leyes. La tal llamada ley 0 (cero) define la medición de la temperatura. La primera ley no es otra cosa que la conocida ley que aprendimos en los colegios, de la conservación de la energía: La energía no se pierde y ni se crea y no pude ser creada de la “nada”. La segunda y la tercera ley describen la entropía, aquella misteriosa magnitud, que por ejemplo, determina el proceso de las reacciones químicas; que le pone un límite natural al rendimiento de las máquinas térmicas y que impide que nuestra taza vuele.



¿Todo de nuevo desde el principio?

Hay tres conceptos, para el entendimiento: El sistema, su entorno uy los procesos entre ambos. El sistema – dicho de forma simple – es el, objeto observado (por ejemplo, la taza con el café), que están en contacto con su entrono (el universo restante). El sistema en determinados procesos puede intercambiar con el entorno energía (calor, o trabajo) y también materia ¿Es posible revertir en cualquier momento este  cambio? ¿Puede repetirse una uy otra vez siempre lo mismo?


En caso afirmativo, entonces se habla de un proceso reversible. Y aquí entra la entropía en el juego, Si se expresa el cambio de la entropía del universo completo cómo  Suniv, como suma de la variación de  la entropía del sistema Ssyst  y el entorno (el universo restante) como SUmg (Syst, de System = Sistema; Umg. De Umgebung = Entorno, el traductor), entonces para procesos reversibles vale:
                                               

∆Suniv = ∆Ssyst + ∆SUmg = 0                                

Un proceso sólo es reversible si elp sistema está constantemente en equilibrio con el entorno, o sea, todos los procesos se desenvuelven en infinitos pequeños pasos. Prácticamente esto significaría, que estos procesos se deberían desarrollarse infinitamente lentos, anquen esta frase, en el “sentido termodinámico” no es totalmente correcta, ya que se incluyó el tiempo. La taza se cae y sin embargo  se rompe de inmediato, entonces esto es un proceso irreversible, que ya no es posible invertir. Aquí vale:   

∆Suniv = ∆Ssyst + ∆SUmg > 0


Para el total de la entropía  con todos  procesos (reversible e irreversible):


∆Suniv >= 0


La entropía puede crearse en el universo pero jamás ser destruida.


Al final del universo 


No sólo gracias a Douglas Adams sabemos, lo que nos va a suceder cuando el universo llega a su fin. También la termodinámica no hace una declaración: el fin del universo es un estado de máxima entropía, la llamada “muerte térmica”.


Empero la segunda ley aun tiene más consecuencias que la muerte térmica del universo y la prohibición de vuelo de la taza., Una de las más importantes imposibilidades es, construir una máquina térmica (calefactor, automóvil, refrigerador, …), que no hace otra cosa que transformar calor en trabajo. En la conversión de calor Q a trabajo W, siempre una parte del calor – con esto entropía –  se traspasa a un reservorio más frío, más frío aquí significa más frío que el sistema que hace el trabajo.



Reservorio de Calor Q1
Alta temperatura
 
   W   

     Trabajo realizado


                                               ↓ Q

Reservorio de calor Q2
Baja temperatura



¿Entropía, que cosa eres?

Hasta el momento, no nos podemos imaginar nada ilustrativo sobre la entropía. Aquí nos ayuda la, interpretación estadística de la termodinámica, que interpreta a la entropía como un grado de desorden. Con esto se explica la muerte térmica del universo como un estado de máximo desorden, donde toda la materia esta uniformemente distribuida en el espacio, y donde también nuestro problema con la taza con café se hace explicativo. El café en la taza, y la taza sobre e escritorio: Un estado ordenado. Con el café en el suelo y la taza hecha añicos: Reina el desorden.-


Para que la taza vuelva a volar sobre la mesa, todos los átomos del café y de laña taza deberían abandonar todo su movimiento térmico aleatorio, moverse en una determinada dirección recomponerse en la taza con el café y luego volar sobre la mesa. Muy, muy improbable.

¿Qué tiene que ver todo esto con la mecánica cuántica?

La termodinámica no sólo es compatible con ello, sino incluso combinable. Una propia teoría, la termodinámica estática, calcula las propiedades de sistema macroscópicos de las propiedades microscópicas de las partículas individuales.   Un concepto central aquí es la función de partición Z, o sea, la suma de todas las posibilidades de las energías cuanto-mecánicos Ej de un sistema: 






De esta  función de partición Z en principio e pueden calcular todas las magnitudes de la termodinámica cómo la energía o entropía                 
                            
¿No hay peculiaridades de la mecánica cuántica en la termodinámica?

¡Claro que sí! Esto lo muestra un modelo teórico presentado hace poco, por el físico Marlan O. Scull de la Texas A&M University [1]. Acordémonos de las arriba descritas máquinas.

El mejor grado de efectividad teórico de un motor térmico se puede expresar, como consecuencia de la segunda ley de la termodinámica, de la siguiente manera:




El grado de rendimiento sólo está determinado por la diferencia  de temperatura entre el reservorio caliente y  reservorio el frio. Un reservorio térmico individual aislado nunca podrá realizar un trabajo, siempre debe desviarse  una a parte del calor a un reservorio más frio. Si ambos reservorios térmicos tienen la misma temperatura, el grado de efectividad  es igual a cero.

Scully presentó ahora un enfoque teórico que podría romper el tal llamado “Carnot – Limit”: el presentado  reversible y cerrado proceso trabaja en forma más eficiente según lo permitido por Carnot. Su “máquina a vapor accionada por  fotones”, con el aprovechamiento de la  coherencia mecánica-cuántica, puede producir trabajo e un único reservorio térmico. El rol del vapor lo toman los fotones, el reservorio térmico se compone de átomos calientes que por procesos de emisión y absorción intercambian emergía con los fotones. Sí en los átomos calientes se genera coherencia cuántica, la radiación de los fotones (“vapor”) la temperatura característica Tp puede ser distinta de Th. Por esta razón en el caso de Th  = Tt’, o sea, de sólo un reservorio térmico se puede generar trabajo.

¿Y la segunda ley?

Vale igual que antes, también en la mecánica cuántica. El experimento no lesiona la validez, puesto que la generación de la coherencia cobra energía y entropía adicional. Todo el sistema de entropía también aumenta en el caso de una máquina a vapor por fotones. Lo especial de esto es que erl trabajo es realizada por un único reservorio térmico.

Con esto sería pensable, que una máquina térmica cuántica, cómo “post quemador cuántico” aumente algún día la eficacia de los motores térmicos.

Autor
Günter Storm

Fuente:  www.ScienceUp.de
Traducido del alemán por A. Gundelach, marzo 2014





No hay comentarios.: