El demonio de Maxwell

El físico escocés James Clerk Maxwell (1831  1879) propuso un experimento mental que violaría la segunda ley de la termodinámica. Esta ley establece que la entropía de todo sistema debe de incrementarse en todo proceso físico.

sábado, 20 de noviembre de 2021 · 00:00

El físico escocés James Clerk Maxwell (1831  1879) propuso un experimento mental que violaría la segunda ley de la termodinámica. Esta ley establece que la entropía de todo sistema debe de incrementarse en todo proceso físico.

A su vez la entropía es una medida del desorden de un sistema. La habitación de un adolescente es un buen lugar para ejemplificar esto. Por mucho que se ordene la habitación, eventualmente el cuarto será un desorden. ¡Por experiencia lo sabemos! La ropa inicialmente perfectamente doblada y ordenada ahora estará tirada y sucia por todos lados, la cama impecablemente tendida ahora estará destendida con las sábanas y cobijas tiradas, etc.

Esto es una manifestación cotidiana y natural del incremento de entropía en el universo. De hecho, una forma más elegante y científicamente fundada para llamarle la atención a un adolescente por su cuarto desordenado no es decirle: "¡Ponte a ordenar tu cuarto!" sino: "¡Bájale al nivel de entropía de tu habitación!" & con esta llamada de atención a lo mejor hasta logramos que se meta en Google para buscar en la Wikipedia esa misteriosa palabra, "entropía". El hecho es que en todo proceso físico del universo se tiene un incremento de entropía.

Pensemos que inicialmente tenemos un gas, llamémosle A, en un lado de un recipiente, separado por una membrana del otro lado del recipiente en donde se encuentra otro gas, llamémosle B. Si la membrana es retirada las moléculas de los dos gases, A y B inevitablemente se empezarán a mezclar incrementando su desorden y por tanto su entropía. 

Finalmente, después de un tiempo suficiente, se tendrá una mezcla homogénea de moléculas A y B. Imaginar el proceso inverso, en el cual una mezcla de moléculas A y B espontáneamente se separa para finalmente tener las moléculas A de un lado del recipiente y las moléculas B del otro lado es algo imposible pues implica disminuir y no incrementar la entropía del sistema. Esto sería tan imposible como ver al revés (con tiempo invertido) la película de un plato que cae de una mesa y se hace mil pedazos, nosotros entonces veríamos a mil pedazos en el suelo que espontáneamente se conglomeran formando un hermoso plato que salta volando para llegar al borde de una mesa. 

Igualmente podríamos imaginar la película, también en tiempo invertido, de un clavadista que salta del agua de una alberca y vuela para llegar al borde del trampolín. Estos procesos no ocurren en la naturaleza debido a que violan la segunda ley de la termodinámica que establece precisamente el incremento de entropía en todo proceso físico. 

De hecho, una consecuencia de esto es que ese término tan elusivo, como es el de "flecha del tiempo", se puede definir precisamente en base al concepto de entropía: En todo proceso físico la flecha del tiempo avanza en la dirección del incremento de entropía.

Maxwell propuso imaginar un recipiente con moléculas A y B mezcladas, pero en el medio del recipiente hay una membrana con una minúscula puerta en la que se encuentra un pequeño, pero muy inteligente demonio el cual se encargará de dejar a las moléculas A de un lado del recipiente y a las moléculas B del otro lado. Solo deja pasar a unas de un lado y a otras del otro lado. 

El resultado de esto es tan irreal e imposible como ver las películas antes mencionadas, del plato despedazado que se vuelve a pegar, o del clavadista que salta del agua para llegar al trampolín.

Estando en la escuela secundaria pregunté a mi profesor si sería posible construir una plancha (de las usadas para planchar ropa) que para operar tomara su energía y calor de la mano del usuario. 

Esta plancha imposible requeriría lograr que la temperatura de la plancha fuera mayor que la temperatura de la mano del usuario, lo cual es imposible pues violaría la segunda ley de la termodinámica. Así de emocionantes eran mis clases de física que con nostalgia y alegría ahora recuerdo.

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