La Entropía y mi habitación

Todos hemos oído hablar de la entropía. Y muchos la hemos tenido que estudiar. Y junto a ella siempre aparecían conceptos como desorden, número de estados, irreversibilidad, espontaneidad, información, y otros. Pensemos en estos conceptos irremediablemente ligados a la entropía.

DESORDEN Y NÚMERO DE ESTADOS

Todos albergamos en nuestra cabeza un idea intuitiva del desorden. Sin embargo, hay que tener claro que en términos científicos, el desorden viene dado por el número de estados en los que un sistema puede estar. Un sistema estará más desordenado que otro cuando el número de estados diferentes en los que podemos encontrar al primero es mayor que los del segundo.

Figura 1

Piensa en algo desordenado ... "¡mi habitación!" es lo que se os habrá ocurrido a más de uno. A tu madre le gustaría que lo tuvieses ordenado; es decir, tu madre sería la mujer más feliz del mundo si tuvieses los pantalones colgados en su percha dentro del armario, los zapatos en ese armarito que te compró para ello, los apuntes metidos en esas carpetas que te regaló para tu cumpleaños, los bolígrafos dentro de su bote y no tirados por la mesa (figura 1), ...; es decir, cada cosa en su sitio. Tu cuarto estará ordenado cuando sólo pueda estar de una manera: cada cosa en su sitio.

Sin embargo, aparte de ocupar su sitio, tú permites que los objetos de tu cuarto puedan ocupar muchos más sitios: los pantalones pueden estar en sus perchas del armario, o encima la cama, o en el colgador de detrás de la puerta, o en una silla; los zapatos los puedes dejar en su armario o en cualquier lugar del suelo de tu habitación; tus apuntes pueden estar en sus carpetas o encima la mesa, o en tu mochila, o en la estantería, o sobre la cama reposando; los bolígrafos los puedes meter en su bote o mejor donde primero caigan.

Entonces, por la mañana podemos encontrar tu cuarto de una manera, pero por la tarde puede estar de otra si es que has cambiado las cosas de sitio. Cada vez que miremos tu habitación estará distinta y la sensación que se tiene es que tu habitación está desordenada. Tú permites más estados a tu habitación y, por tanto, está más desordenada, tanto en el sentido científico como habitual de la palabra desorden.

Teniendo en cuenta que la entropía es una medida del desorden, si tu habitación está más desordenada, termodinamicamente significa que está mas "entropizada".

ENTROPÍA E IRRREVERSIBILIDAD

Con pocos conocimientos termodinámicos sabemos que en los procesos irreversibles aumenta la entropía del sistema. Y viceversa, si un sistema experimenta un aumento de entropía tras un proceso, éste es irreversible.

Vamos a demostrarle a tu madre que una vez que tú desordenas el cuarto, es casi imposible volver a dejarlo con el orden inicial. Y es una cuestión de probabilidad.

Tu madre parte de una situación inicial en la que cada cosa sólo puede estar en un lugar: su sitio. Luego, a tu habitación sólo la podemos encontrar en un estado (pocos estados permitidos, mucho orden, poca entropía); séanse, por ejemplo, los pantalones en cuestión colgaditos de su percha dentro del armario. Tú los usas y luego los dejas en un sitio que ya no es el suyo, mismamente sobre la cama como que los podrías haber dejado en la silla. Es decir, ahora podemos encontrar a tu habitación en tres estados diferentes: con los pantalones en el armario, en la cama o en la silla.

gráfico 1

Has realizado una transformación en la que la situación final tiene más estados que la inicial (situación inicial: sólo un estado, cada cosa en su sitio; situación final: tres estados, cada cosa en su sitio, o cada cosa en su sitio pero los pantalones en la cama, o cada cosa en su sitio y los pantalones en la silla.) (gráfico 1).

Entonces, este proceso en el que ha habido un aumento de estados, de desorden, de entropía ¿es reversible? Pues sí pero no. Si tú vuelves a coger los pantalones y los dejas otra vez, mientras sigas pudiéndolos dejar en cualquier sitio, seguro que no se te ocurre dejarlos justo donde los habías cogido la primera vez (de la percha del armario). La probabilidad de que el sitio que tu elijas al azar sea su sitio del armario no es la unidad, sino menor. Luego, existe una baja probabilidad de que justamente vuelvas a dejar las cosas donde estaban al principio.

Para tu madre, que sólo permite un estado al sistema, la probabilidad de dejar al cuarto en ese estado es la unidad. Mientras que para tí, existe

• probabilidad 1/3 de dejar el cuarto ordenado (situación final 1ª)
• probabilidad 2/3 de dejar el cuarto desordenado(situación final 2ª y 3ª)

Es decir, tu tienes más probabilidad de dejarlo desordenado porque existen más estados posibles así, y sólo uno en el que intuitivamente lo llamamos ordenado.La solución pues es muy sencilla, no permitir a tus cosas más que un estado posible: el lugar que tu madre les asigne.

ENTROPIA Y ESPONTANEIDAD

Todos sabemos viendo el mundo que nos rodea que la espontaneidad implica irreversibilidad. Es decir, que si un proceso ocurre espontaneamente, sin aporte energético, no tiende a volver a la situación inicial, el proceso es irreversible. Lógico, ya que si ocurre espontaneamente es porque va a una situación más "cómoda" o más probable, y la Naturaleza no es tonta, y no va a volver a una situación inicial más "incómoda" o menos probable por las buenas.

Y acabamos de ver también que los procesos irreversibles implican un aumento de la entropía del sistema.
Luego, si espontaneidad implica irreversibilidad, y ésta aumento de entropía: los procesos espontáneos conllevan un aumento de entropía.

Tú madre se pregunta cómo es que tu habitación siempre está tan desordenada, siendo que incluso ella a veces la ordenada y coloca cada cosa en su sitio: los pantalones en su percha, y los zapatos en su armario, y los apuntes en su carpeta, y los bolígrafos en su bote. Sin embargo, tú cada vez que coges algo de tu habitación, lo dejas desordenado, aumentas la entropía de tu habitación.

¿Por qué? Fácil, porque tú cuando dejas algo en tu cuarto siguiendo la ley de la Naturaleza del mínimo consumo de energía, no te paras a pensar y para tí cualquier sitio está permitido para dejar tus cosas. Realizas un proceso espontáneo (sin aporte energético) que es dejar un objeto de tu habitación, y como lo puedes dejar en cualquier sitio, pues tu habitación la podemos encontrar de muchas maneras distintas; luego, más estados, más desorden, más entropía.

ENTROPÍA E INFORMACIÓN

Lo que tu madre no entiende es el que tu dejes tus cosas en otro sitio que no es el suyo, a tu hermana le sirve de mucho. Tú dejas a tus pantalones más de un estado posible (en el armario, o encima de la cama, o en la silla, o detrás de la puerta colgados) y esto le permite a tu hermana saber cual es tu estado de ánimo; según dónde dejas tus pantalones, ella sabe si vienes enfadado, risueño, melancólico, etc.. Si sólo permitieras un estado a tus pantalones (su sitio, séase el que decide tu madre, o cualquier otro) tu hermana perdería mucha información porque siempre pensaría que estás del mismo humor, el correspondiente al lugar asignado a tus pantalones. Pero, al menos, tu madre no se enfadaría.

Es decir, cuantos más estados permitidos tiene un sistema, mayor es la información que puede almacenar y proporcionar.

Para terminar, recordar que las analogías son útiles en tanto en cuanto las limites a su semejanza con la realidad. Es decir, una analogía no explica todo de aquello con lo que la comparamos. E insisto en mi agradecimiento a las posibles correcciones de esta analogía.

Por Eva Martínez Pérez

Licenciada en Ciencias Químicas

Transformaciones termodinámicas

Observa en esta animación interactiva, en qué consisten las transformaciones termodinámicas isocoras (volumen constante), adiabáticas (proceso en el que no hay intercambio de calor, Q = 0), isotermas(temperatura constante) e isobaras(presión constante).
Fuente Educaplus

¿De qué está hecho tu teléfono móvil?

Aquí tenéis una interesante animación que nos permite conocer un poco más las distintas aplicaciones de los materiales, elementos y compuestos químicos en nuestra vida cotidiana. (fuente: www.muyinteresante.es)