Termodinámica, entropía y probabilidad

Continuamos en este post resumiendo lo que fue la formulación del segundo principio de la termodinámica y el concepto de entropía durante las décadas de los años 20, a 50 del siglo XIX. Nos interesa, como siempre, la manera cómo las nuevas explicaciones sobre la naturaleza se abren camino en la mente del hombre y cómo una nueva racionalidad surge y se difunde. En este caso es la termodinámica la que capta nuestra atención, incluidos sus principios o leyes, con énfasis en su segunda famosa ley y en el concepto de entropía, íntimamente ligado a ella. Mencionamos las personas clave de lo que llamamos termodinámica y dejamos listo el tema para entrar en lo que será una visión atomista o atómica de la materia y de nuestro mundo. Con ella va a venir una interpretación probabilística de la naturaleza.

Termodinámica, entropía y probabilidad
Para estudiar la evolución de la racionalidad humana que es lo que más nos interesa en este post, resulta muy interesante comprobar la forma cómo la mente del hombre descubre la verdadera naturaleza de los fenómenos físicos. Algunos hombres con curiosidad, sentido crítico e inteligencia, se dan cuenta de que las explicaciones existentes sobre algo no sirven para determinar la verdad de un fenómeno y comienzan a pensar en una hipótesis alternativa. Lo hemos visto en el caso del calor y el trabajo, especialmente de la mano del Conde Rumford y en relación con la construcción de cañones. Sadi Carnot (1796-1832) seguramente tuvo acceso a las explicaciones de Rumford y del físico sueco Johan Carl Wilcke (1732-1796) al que también se ha hecho referencia en el post anterior, él mismo hizo pruebas y trabajó tratando de mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor y, finalmente, tuvo la capacidad y la habilidad de publicar un libro con las nuevas propuestas en relación con el calor y el trabajo. Fue ingeniero militar, hijo a su vez de un eminente matemático, militar e ingeniero, e ingresó muy joven en la École Polytechnique de Paris en donde tuvo notables maestros y destacados condiscípulos.

El proceso en sí a través del cual determinados personajes terminan haciendo grandes propuestas sobre el funcionamiento de la naturaleza es mezcla del empirismo y la comprobación en relación con el fenómeno físico en cuestión y del racionamiento intelectual que construye la teoría explicativa y eventualmente sus leyes y formulaciones matemáticas.

Carnot descubrió que en toda transformación de calor en trabajo hay siempre una pérdida de calor, es decir, de energía, ya que el calor es una forma determinada de energía. Dicha pérdida, de acuerdo con el primer principio de la termodinámica, no puede desaparecer, sino pasar a una forma distinta de energía. Para entender qué es lo que pasaba en realidad con la energía disipada se tuvieron que dar pasos adicionales en cuanto a la composición de la materia. Se tuvo que avanzar, como más adelante veremos, en la mecánica estadística, o lo que es lo mismo, en la composición atómica de la materia, en la movilidad de los átomos y en su vibración, aspectos relacionados a su vez con el concepto de “entropía”. Carnot estuvo cerca pero no descubrió este nuevo concepto, como es sabido, aunque no lo podemos saber con certeza ya que murió con 36 años en una epidemia de cólera y sus papeles y pertenencias fueron quemados. Antes y después de dejar el ejército sin pensión alguna, vivió varios años en un asilo para enfermos mentales.

Su obra fue rescatada y difundida años después de su muerte, a partir de 1834, por Émile Clapeyron (1799-1864), destacado físico e ingeniero, también francés, considerado asimismo padre de la termodinámica junto a James Joule (1818-1889), Rudolf Clausius (1822-1888), William Thomson (1824-1907), sin duda, Ludwig Boltzmann (1844-1906), y en parte también, James Clerk Maxwell (1831-1879), el enorme matemático y físico escocés, autor de las ecuaciones de los campos electromagnéticos.

La termodinámica tomó forma a través de la labor de estos últimos personajes, siendo, por ejemplo, Thomson, también conocido por Lord Kelvin, el que por primera vez utilizó ese nombre para referirse al área de conocimientos que estudia: “las relaciones del calor con las fuerzas que actúan entre las partes contiguas de los cuerpos y entre el calor y los fenómenos eléctricos”.

Rudolf Clausius a su vez, fue el introductor de la palabra “entropía ” en los años 1850. Con ella, que en griego significa evolución y transformación, se quiso indicar la energía que no puede transformarse en trabajo o aquello en lo que se convierte la energía perdida en toda transformación de calor en trabajo.

El concepto y la palabra de entropía están unidos a la idea de desorden o enfriamiento absoluto hacia lo que parece tender todo en nuestro universo. Algo realmente novedoso y sorprendente hoy y, sobre todo, en la época en que esas cosas fueron formuladas, ya que nuestro planeta, la vida, y nosotros mismos, somos fenómenos contrarios a esa ley de la naturaleza. Somos de hecho fenómenos “neguentrópicos” o de entropía negativa. Y algo además de enorme trascendencia para las interpretaciones posteriores: la formulación matemática y probabilística del desorden, o caos, hacia el que tiende, supuestamente, el universo.

Para muchos, la segunda ley de la termodinámica, que es una ley existente en la naturaleza, junto con la idea de “entropía”, un fenómeno también natural, constituyen las leyes más importantes que el hombre ha formulado a lo largo de la historia de la humanidad. Quizá haya sido cierto hasta la formulación de la mecánica cuántica.

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Doctor Ingeniero del ICAI y Catedrático de Economía Aplicada, Adolfo Castilla es también Licenciado en Económicas por la Universidad Autónoma de Madrid, Licenciado en Informática por la Universidad Politécnica de Madrid, MBA por Wharton School, Master en Ingeniería de Sistemas e Investigación Operativa por Moore School (Universidad de Pennsylvania). En la actualidad es asimismo Presidente de AESPLAN, Presidente del Capítulo Español de la World Future Society, Miembro del Alto Consejo Consultivo del Instituto de la Ingeniería de España, Profesor de Dirección Estratégica de la Empresa en CEPADE y en la Universidad Antonio de Nebrija.

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