Plumas NCC | Termodinámica y entropía: ¿cuál es la dirección y destino de todas las cosas?

Por: Aldo Saavedra Fenoglio (Chile).

 

La Termodinámica es una disciplina científica que está basada en un conjunto de leyes o principios universales, que hasta este momento se han demostrado inobjetables. Tales premisas pueden ser aplicadas al movimiento de las olas del mar, a la operación de una central hidroeléctrica, al ciclo del agua en la naturaleza y también a la teoría del Big Bang que explica el origen del Universo.

Se asigna al ingeniero francés Sadi Carnot (1796-1832) como el fundador de la Termodinámica, quien escribió un relevante trabajo cuando tenía apenas 23 años. Al respecto, Carnot desarrolló sus postulados basándose en estudios experimentales y observaciones de las primeras máquinas de vapor, cuantificando los flujos energéticos mediante los cuales se convertía la energía térmica en trabajo mecánico o trabajo útil, teniendo como fuente calórica la combustión de carbón y biomasas de origen vegetal.

Carnot sentó las bases para formular el primer principio de la termodinámica, que se conoce como “ley de conservación de la energía” que asevera que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Es así como la energía cinética que transporta un cauce de agua es factible transformarla en energía eléctrica mediante un dispositivo mecánico denominado turbina. Es también el caso de la energía nuclear contenida en un material radiactivo, que permite utilizar el calor generado por la fisión nuclear.

Si bien la primera Ley describe los balances de energía, ésta no entrega ninguna información relativa a la factibilidad de que el proceso se pueda realmente verificar. Se ha observado que, si un determinado proceso se manifiesta espontáneamente en un sentido, no puede ocurrir en el sentido inverso. Además, también se constata que cuando se emplea un tipo de energía, una fracción de ella se pierde irremediablemente, disipándose al ambiente.

Durante el siglo XIX, el desarrollo de las disciplinas científicas aplicadas al estudio de fenómenos naturales y procesos industriales fueron la base para validar la segunda ley de la termodinámica o ley de la entropía.

La palabra “entropía” proviene del griego, ἐντροπία y significa evolución o transformación. Fue introducida en 1854 por el físico alemán Rudolph Clausius (1822-1888), quien la simbolizó con la letra S y fue definida como “una propiedad intrínseca de un sistema material que se caracteriza porque su valor se incrementa debido a la natural ineficiencia en la transformación de un tipo de energía en otro”.

A partir de ese momento la entropía ingresaba por la puerta ancha de la ciencia provocando un demoledor golpe a la noción de eternidad: todo proceso natural e irreversible evoluciona irremediablemente en una única dirección, degradándose en su contenido de energía útil. Este comportamiento es general, objetivo, y se aplica a todas las cosas, incluyendo al propio Universo.

Algunos años después, el físico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906) estableció una relación entre la entropía y el nivel de desorden de un sistema. La fórmula que corona su trabajo: S = k*log(W), se encuentra grabada en la lápida de su tumba en el cementerio (Zentralfriedhof) de Viena, siendo k la constante de Boltzmann y W la “probabilidad termodinámica” de que pueda verificarse un determinado proceso.

En este sentido, Boltzmann establece que un sistema desordenado era más factible que uno ordenado. Luego, el incremento en la entropía de un sistema se producía debido a que sufre un cambio de condiciones de baja probabilidad (más ordenado) a un estado de mayor probabilidad (más desordenado): es la tendencia natural al desorden.

Dicho esto, el segundo principio predice que, al disminuir constantemente la energía útil en nuestro planeta, en el sistema solar y en la totalidad del universo, todas las cosas tienden a un estado de máxima entropía o máximo desorden. Al final de los tiempos, en varios miles de millones de años más, se producirá la denominada “muerte térmica del Universo”. Bajo tal condición se alcanzará el equilibrio termodinámico a un nivel térmico uniforme y cercano al cero absoluto, condición en la cual ningún proceso será ya posible debido a la ausencia de gradientes impulsores.

¿Qué ocurre con los combustibles fósiles de nuestro planeta?

La edad del Universo se estima en cerca de 13,6 mil millones de años, la Tierra se formó hace unos 4,5 mil millones de años y los primeros atisbos de vida habrían comenzado hace unos 3,800 mil millones de años. Durante el período geológico del Carbonífero, hace cerca de 320 millones de años se produjeron grandes cataclismos que sepultaron enormes cantidades de biomasa vegetal y animal.

Gracias a las condiciones anaeróbicas, altas presiones y temperaturas se propició su transformación en los hidrocarburos fósiles, petróleo, gas natural y carbón que conocemos hoy día. Tales procesos geoquímicos de millones de años de duración posibilitaron la captura de megatoneladas de carbono, modificando de paso la atmósfera y el clima terrestre, contexto que promueve la formación de un ambiente adecuado para la evolución de las especies y el origen de la humanidad.

Pues bien, han bastado poco más de 100 años para que nuestra civilización consumidora y dependiente de tales hidrocarburos revirtiera el trabajo efectuado por la naturaleza, al punto de poner en entredicho la sustentabilidad de la vida en la Tierra, al menos tal como la concebimos actualmente.

Apelando a las herramientas termodinámicas, se concluye que las quemas indiscriminadas de tales fuentes convencionales de energía han incrementado la entropía y el desorden, generando enormes volúmenes de calor residual y de contaminantes gaseosos, entre ellos el dióxido de carbono, principal responsable del nefasto cambio climático global.

Entropía, sociedad y límites del crecimiento

La función entropía no está sólo supeditada a la termodinámica. Su dimensión se ha extendido aplicándose a las más diversas esferas de la vida humana, la sociedad, la economía, la política y los procesos productivos, entre otros temas. Si bien su transcripción no es tan precisa ni cuantificable como en ciencia y tecnología, ya la noción de entropía da cuenta del incremento del desorden de las cosas, del deterioro y la disipación (pérdidas) de energía y residuos al medio externo, debido a ineficiencias propias de los procesos, imposibles de evitar cuando un sistema sufre modificaciones pagando el costo que impone cumplir la segunda Ley.

En nombre del desarrollo, la civilización humana se apropia, modifica y consume los recursos naturales del planeta. Diversos autores han acuñado la expresión de “apropiación social de la naturaleza”. Al igual que todo organismo biológico, las sociedades son sistemas que nacen, crecen y luego mueren, utilizando grandes cantidades de recursos y energía, de las cuales sólo una fracción es útil, y disipando el resto (la mayor parte), tornando a nuestro planeta más desordenado y contaminado.

Resulta entonces complejo conjugar crecimiento económico con desarrollo sostenible, debido al agotamiento de los recursos naturales disponibles y al creciente deterioro ambiental. El crecimiento no puede ser ilimitado porque los recursos son finitos, lo afirman las leyes de la Termodinámica, y en particular la entropía, que nos invita a reflexionar sobre la dirección y destino final de nuestra civilización y los modelos de sociedad que nos hemos otorgado.

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Aldo Saa­ve­dra Fenoglio es académico del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Santiago. Doctor en Ingeniería Química, Ingeniero Civil Químico, investigador del Laboratorio de Procesos de Separación por Membranas del Departamento de Ingeniería Química. Su principal línea de investigación es la desalinización y tratamiento de aguas para su empleo en riego agrícola, agua potable y procesos productivos.