¿Por qué los cuerpos calientes se enfrían pero ningún cuerpo frío se calienta?

La respuesta a esta pregunta, aparentemente trivial, nos condujo a una de las leyes más importantes de la naturaleza, la segunda ley de la Termodinámica, la ciencia que estudia el calor.

Una de las leyes más importantes que nos permiten explicar los caminos que toma la naturaleza es la segunda ley de la termodinámica. Su importancia para la comprensión del universo es tal que el escritor inglés Charles Percy Snow dijo que aquellos que no la conocieran eran tan incultos como quienes no hubiesen leído en su vida ninguna obra de Shakespeare.

Es importante insistir que la segunda ley no se obtuvo teóricamente sino que llegó gracias a la pura observación de los procesos donde estaba involucrado el calor. Simplemente admite la existencia de una disimetría esencial en la naturaleza: los cuerpos calientes se enfrían pero los fríos no se calientan espontáneamente. También explica por qué las pelotas botan hasta detenerse pero ninguna pelota quieta en el suelo empieza a botar o por qué los vasos se rompen pero ninguno se recompone solo. Uno de los científicos que nos llevó a ella fue el inglés William Thomson.

De la telegrafía a la termodinámica

Nacido en Belfast en 1824, con diez años ya era alumno en la Universidad de Glasgow. Thomson tenía una más que notable capacidad para extraer aplicaciones técnicas a la ciencia y gracias a ella consiguió amasar una pequeña fortuna. Fortuna que, tras graduarse en la universidad de Cambridge, pulió durante una breve estancia en París. Al poco tiempo de semejante ‘descalabro’ económico le ofrecieron la cátedra de Filosofía Natural en la universidad de Glasgow. Tenía entonces 22 años.

Thomson dedicaba su tiempo a dos placentera tareas: investigar y ganar dinero en cantidades envidiables gracias a sus trabajos en el novedoso campo de la telegrafía. Y es que la superioridad británica en comunicaciones internacionales y telegrafía submarina se puede atribuir a los trabajos de Thomson sobre los problemas en la transmisión de señales a largas distancias. No contento con eso, patentó un receptor telegráfico que fue escogido, entre otros muchos, como el receptor oficial de todas las oficinas de telégrafos del Imperio Británico. Por supuesto, esta elección le reportó pingües beneficios.

Sin embargo, hoy se le recuerda por otra hazaña, mucho más relacionada con su materia gris. Un día escuchó en Oxford la ponencia de un joven científico llamado James Joule donde exponía sus recientes descubrimientos acerca de la verdadera naturaleza del calor. Thomson no pudo quitarse estas ideas de su cabeza y poco tiempo después publicaba el libro Sobre la Teoría Dinámica del Calor. En esta obra defendía que todos los procesos en los que intervenía el calor podían explicarse si existían dos leyes fundamentales. Una la acababa de enunciar James Joule: la ley de conservación de la energía. La otra, decía, era mucho más sutil y tenía que ver con la forma en que fluía el calor entre los cuerpos.  Thomson se dio cuenta de que aunque la energía total debía conservarse en cualquier proceso, la distribución de esa energía cambiaba de un modo irreversible. Dicho de otro modo: la primera ley nos dice que los trapicheos que hagamos con la energía no la pueden hacer desaparecer; la segunda ley nos advierte de hacia dónde deben dirigirse esos trapicheos.

El alemán y el calor

Pero no solo fue Thomson quien se dio cuenta de que una nueva ley debía estar jugando bajo la piel de la experiencia. El alemán Rudolf Clasius también estaba tras la pista. Ambos partían de lo mismo, la máquina de vapor, y los dos enunciaron su propio principio. Para Clausius no era posible un proceso que, de manera espontánea, transmita calor de un cuerpo frío a otro caliente.

Si esto sucedía, algo más debía ocurrir en algún otro punto del universo. Es lo que pasa en las neveras: el frigorífico de casa enfría los alimentos porque en otro lugar se está liberando energía en forma de una central nuclear, térmica o hidroeléctrica. Por consiguiente, la ley de Clausius nos define un sentido de los procesos naturales y con ella podemos decidir cuáles son naturales y cuáles no. Por su parte Thomson enunció esta ley de forma diferente: no existe ningún proceso físico cuyo único fin sea la conversión completa de calor en trabajo; siempre se perderá algo de calor. Aunque parezcan formulaciones diferentes, ambas son expresión de una misma ley.

Energía y entropía

La primera ley conlleva asociada una magnitud llamada energía que nos permite cuantificarla. Se necesitaba algo similar para poder formular matemáticamente la segunda ley y Clausius la encontró. Descubrió que había una cantidad relacionada con el calor que su suma valía cero para cualquier proceso cíclico, aquel que empieza y termina en el miso punto, y la llamó entropía, que viene de una raíz griega que significa ‘vuelta’ o ‘cambio’. De este modo, su definición más simple viene dada como sigue: el cambio de entropía de un proceso es igual al calor intercambiado dividido por la temperatura. Evidentemente, si se calienta un sistema, el calor suministrado será positivo y la entropía crecerá; si se enfría, el calor será negativo y la entropía decrecerá; si no hay intercambio de calor, la entropía no cambiará.

Clausius llegó de este modo a una nueva formulación de la segunda ley, que engloba a la enunciada previamente por él y a la de Kelvin. Dice así: “Los procesos naturales son aquellos en los que se verifica un aumento en la entropía del universo”. Gracias a esta ley podemos señalar un sentido a todos los fenómenos que podamos imaginar y que comporten un cambio. Únicamente se producirán de manera natural aquellos que, además de cumplir el principio de conservación de la energía, verifican que la entropía del sistema aumenta. 

¿Pero qué es la entropía? Simplemente, una medida del desorden de un sistema. De ahí que el significado de la segunda ley sea aterrador: El universo, dejado a su suerte, evolucionará a un estado de máximo desorden.

Referencias: 

Atkins, P. W. (1992) La segunda ley, Prensa Científica

Cardwell, D. S. L., (1989) From Watt to Clausius: the rise of the thermodynamics in the early industrial age, University of Iowa Press

Goldstein, M. y Goldstein, I. F. (1993) The refrigerator and the universe, Harvard University Press

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Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Astrofísico y doctor en física teórica. Miembro del Comité Editorial de Muy Interesante, es autor de catorce libros, más de 300 artículos y creador de una treintena de proyectos de divulgación científica. Es colaborador habitual en prensa, radio y televisión, y consultor para exposiciones temporales y museos.

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