Parte 1: Entropía

En un sistema físico para que la energía pueda ser aprovechada y convertida en trabajo, es necesario que dicha energía no se encuentre distribuida de modo uniforme. La energía va a tender a fluir de los puntos de mayor concentración a los puntos de menor concentración y del aprovechamiento de ese flujo es que puede obtenerse trabajo.

La magnitud que mide el nivel de uniformidad en la distribución de la energía es llamada entropía

El papel de la entropía en cualquier sistema energético es el descripto por la segunda ley de la termodinámica que afirma que en un sistema aislado la entropía siempre tiende a aumentar y nunca a reducirse. Así es como la entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos al mismo tiempo que sirve para medir la parte de la energía inútil, que no puede ser usada para realizar trabajo.

Supongamos un sistema térmicamente aislado. Pongamos por ejemplo: un cuarto perfectamente hermético. En el colocamos una taza con agua hirviendo. Lo que va a ocurrir inevitablemente es que la energía va a empezar de fluir de su punto de mayor concentración al de menor concentración hasta que la energía de todo el cuarto se alcance su punto de mayor equilibrio. La taza se va a ir enfriando y el ambiente del cuarto calentando hasta que la temperatura de la taza y de todos los demás elementos en el cuarto sea la misma.

Si le pusiésemos a la taza un dispositivo que transforme el calor en movimiento (por ejemplo un pico que libere el vapor a presión haciendo girar una pequeña hélice), podríamos utilizar ese flujo de energía para hacerle realizar un trabajo. Pero el trabajo solo va a poder ser aprovechado mientras la energía se encuentre fluyendo. Cuando la energía deje de fluir y/o alcance su estado de mayor equilibrio, el aprovechamiento de esa energía para realizar trabajo va a ser imposible. Le entropía va a haber alcanzado su punto máximo y va a ser imposible reducirla mientras el cuarto siga siendo un sistema aislado.

Esto es así porque, como afirma el enunciado de Clasius, no es posible un proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un objeto y la absorción de una cantidad igual de calor por un objeto de mayor temperatura. El sentido del enunciado Clasius consiste en la afirmación de que la energía siempre fluye de los puntos de mayor concentración hacia los de menos, de ello se deriva el aumento de la entropía como un proceso irreducible en los sistemas aislados (segunda ley de la termodinámica).

No es que no se pueda conseguir que un objeto disminuya su temperatura en la misma medida en que otro objeto de mayor temperatura la aumenta. Pero para realizarlo se requeriría la realización de una serie de procesos secundarios que lo asistan.

Por ejemplo: Un proceso cuyo resultado sea la reducción de la temperatura de un vaso de agua de 4 a 2 grados (2 grados de extracción) y el aumento de la temperatura de otro vaso de 6 a 8 grados (2 grados de absorción) es posible siempre y cuando estos no sean los únicos resultados del proceso.

Podría tener sentido que eso ocurra si además ocurriese que la temperatura de un tercer vaso aumente de 0 a 2 grados y la de un cuarto vaso se reduzca de 10 a 8 grados. Esto tendría sentido ya que el resultado de tal proceso sería un aumento de la entropía, donde la temperatura aumentada por un recipiente se corresponde con la temperatura reducida de otro de mayor temperatura.

Sin que se den, en los resultados del proceso, los cambios de temperatura de un tercer y cuarto recipiente, sería imposible que se den los cambios de temperatura del primer y segundo recipiente. El único modo de que tal proceso ocurra sería si el primer vaso, de 4 grados de temperatura, cede 2 grados de temperatura al vaso de 6 grados, lo cual sería contradictorio con el enunciado de Clasius, e implicaría una reducción de la entropía en un sistema que es aislado (debido a que se trata de un proceso cerrado). Tal fenómeno sería contradictorio con la segunda ley de la termodinámica: en un sistema aislado la entropía del sistema tiende siempre a aumentar y nunca a reducirse, y por lo tanto sería imposible, ya que implicaría un flujo de energía de un punto de menor concentración hacia uno de mayor.

El concepto de entropía no solo describe la irreversibilidad de los procesos termodinámicos y sirve para medir el nivel de energía inútil de un sistema aislado y el grado de homogeneidad y estabilidad de un sistema, sino que también sirve como indicador del nivel de caos, desorden o degradación del mismo.

Esto es así debido a que la existencia de un orden o complejidad implica la realización de un gran trabajo inicial seguido de un permanente trabajo de mantenimiento de esa complejidad.

Supongamos una fila de diez soldados, si a cada soldado se le pide que de un paso al azar en una de cuatro direcciónes (atrás, adelante, izquierda o derecha) las probabilidades de que después de dar el primer paso todos los soldados sigan representando la misma formación ordenada son de 1 sobre 4 elevado a la decima potencia (1/40.000.000.000, una sobre cuarenta mil millones).

A medida que en un sistema cerrado aumenta la entropía, es decir, se dispersa la energía por medio de múltiples transformaciones, la probabilidad de que se mantenga la complejidad de las estructuras, disminuye. El mantenimiento de las estructuras requiere trabajo. Cuanto más aumenta la entropía, mas energía se vuelve inutilizable y por ende menos trabajo puede realizarse. Por ende el aumento de entropía es sinónimo de degradación de las estructuras del sistema, aumento del caos y reducción de la complejidad.

Así es que cuando la segunda ley de la termodinámica dice que la entropía de un sistema aislado tiende siempre a aumentar y nunca a disminuir, lo que dice es que la energía tiende a dispersarse, homogeneizarse, equilibrarse, estabilizarse y por ende a inutilizarse, y que la complejidad tiende a reducirse, el caos y el desorden a aumentar y las estructuras a degradarse y destruirse.

Es importante aclarar que el aumento permanente e irreducible de la entropía no implica la imposibilidad de formación de estructuras complejas en regiones localizadas del sistema aislado y en sus subsistemas. Si esto no fuera así, no podrían nunca, por ejemplo, haber evolucionado formas de vida más complejas a partir de otras más simples.

La segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía aumenta en un sistema aislado a nivel global, pero no quita que pueda disminuir a nivel local. Siguiendo así el ejemplo de la evolución de los organismos complejos, es posible que aumente la complejidad de los organismos en la tierra gracias al enorme trabajo que puede aprovecharse a partir de la energía que fluye del sol hacía la tierra junto con la energía que se encuentra concentrada en forma potencial en las sustancias del suelo terrestre. El nivel de complejidad y de concentración de energía que implica el desarrollo de la vida no se compara con el nivel de degradación y de dispersión de energía que tiene que ocurrir en el sol y en las sustancias del suelo, para que eso sea posible.

Es por esto que a nivel global, el nivel de desorden y de dispersión de energía siempre aumenta, porque si bien puede aumentar localmente la complejidad y concentrarse la energía, para que ello sea coherente con el enunciado de Clasius y, en general con la segunda ley, tienen que darse procesos que impliquen una reducción de la complejidad y dispersión de la energía aún mayor.

Así es que si bien, levantar con un ascensor un litro de agua implica una acumulación de energía potencial y por ende un aumento de la complejidad del sistema, a nivel del sistema en su totalidad la complejidad se estaría reduciendo y la energía dispersando ya el trabajo requerido para levantar ese litro de agua requeriría una energía dispersándose equivalente a la de diez litros de agua descendiendo (dispersando la mayor parte de su energía potencial). Es por eso que un aumento local de la complejidad y de la concentración de energía no solo no implica nunca una reducción de la entropía total, sino que la dispersión de energía en los procesos requeridos para esa acumulación no hace mas que aumentar la entropía total del sistema.

Esto último es importante tenerse en cuenta para comprender la compleja relación entre el orden y la entropía. Los mismos patrones que emergen en la naturaleza y que provocan el surgimiento de complejidad son los que la mantienen y el mantenimiento de la complejidad implica un trabajo, producto de una serie de transformaciones que tiene como resultado una enorme dispersión de energía y por ende, favorece al aumento de la entropía del sistema. Así es que al mismo tiempo que la entropía degrada y destruye la complejidad, la complejidad, a travez de sus procesos favorece y acelera a la entropía.

La entropía es entonces una magnitud que en un sistema aislado va a siempre a aumentar y que es sinónimo de estabilidad, equilibrio energético, uniformidad y también de caos, degradación y muerte de la complejidad que es simultáneamente su victima y aliada.