Entropía: Es más cómodo ser desordenado

Si derramas en un vaso de agua una gota de tinta, el colorante se diluirá de manera homogénea. 

Parece lo más normal del mundo ¿no? Sin embargo, ¿te has parado a pensar por qué luego no es posible separar por si misma la tinta del agua con la misma facilidad? ¿O por qué si juntas un metal caliente con otro más frío ambos igualarán su temperatura en lugar de que uno se caliente más a costa de absorber el poco calor que tuviera el otro? 

Todo tiene que ver con la natural disposición del Universo a tender a la comodidad… y al desorden.

El concepto que conecta estos dos supuestos y otros que irás viendo o recordando es la entropía, magnitud que, dicho llanamente, mide la cantidad de “desorden” de un sistema, por ejemplo, dos barras de metal a diferente temperatura o el conjunto del Universo.

Otra de sus definiciones posibles es entenderla como la medida de la energía que no puede ser transformada en trabajo. Vale, vamos a ver qué es todo esto.

El coche

Empezaremos por esto último. Por ejemplo: Un motor de un coche utiliza cierto carburante, como la gasolina. Su motor usa la energía química almacenada en este derivado del petróleo para, a través de su combustión, transformarla en energía mecánica, que terminará transmitiéndose como movimiento circular a las ruedas. Y el coche anda. De perogrullo.

Pero lo que no es tan conocido es que más de la mitad de la energía que guarda la gasolina no se transformará en trabajo mecánico ni, por tanto, en movimiento del vehículo. La mayor parte de esa energía química se perderá en forma del calor generado en la combustión.

Como dijimos que la entropía es aquella energía que no genera trabajo, en este caso diremos, pues, que la entropía generada en todo el sistema gasolina-coche será elevada, porque hay una gran cantidad de energía que no puede ser utilizada para generar trabajo mecánico y contribuir a mover el coche.

Esta pérdida de energía no es deseable, obviamente, porque reduce el rendimiento del motor y obliga a instalar un sistema de refrigeración;) Pero ten en cuenta que es inevitable, por la propia naturaleza de la combustión de la gasolina: Su quema produce ese índice de calor y entropía (energía que no puede transformarse en trabajo). Si se intenta reducir la entropía natural del proceso, este no se podrá producir. Es, por tanto, algo inherente al mismo.

Las barras de metal

El ejemplo ya comentado de las dos barras de metal a diferente temperatura es también esclarecedor. Si se juntan, se producirá una transferencia de energía entre ambas, porque la que tiene más calor cederá parte de este a la que tiene menos calor, hasta que ambas alcancen la misma temperatura. Se produce, pues, una transferencia de energía, pero no se produce trabajo.

¿Cómo se produce esta transferencia?

El equilibrio y la “comodidad” es el meollo de todo este asunto. Al igual que un torrente de agua tenderá a desplazarse hacia la zona “más cómoda”, la más baja y nunca la más elevada, hay una cierta cantidad de energía que tenderá a “desplazarse” hacia la posición “más cómoda”, sin generar trabajo. Y, como la analogía del agua, siempre será en un mismo sentido: Hacia estados menos energéticos, más cómodos.

Así, en un trozo de metal caliente, los electrones que giran alrededor de sus núcleos atómicos (un concepto que puedes refrescar aquí) lo hacen más deprisa, más excitados, que los del metal a menos temperatura. Si ponemos en contacto ambos metales, se producirá una transferencia de calor, de manera que el más cálido cederá energía al más frío (y no al revés, al igual que el agua no “cae” hacia “arriba”), reduciendo el primero el giro de sus electrones, hasta que los de ambas barras de metal lo hagan a una velocidad similar, lo que equivaldrá a una temperatura común, homogénea y en equilibrio.

Esto supone, además, que la entropía aumentará con el paso del tiempo, porque a cada segundo que pase ambos trozos de metal a diferente temperatura estarán más próximos a igualarse en temperatura. Igualmente, alcanzada la máxima entropía del sistema, la máxima homogeneidad en la distribución del calor-energía, el proceso quedará en equilibrio.

Unidireccionalidad e irreversibilidad

Aquí se han introducido nuevas claves de todo este embrollo: El sentido único de estos procesos (hacia estados menos excitados, menos calóricos y, por tanto, menos energéticos), y la irreversibilidad del proceso sin aplicar energía externa al sistema, al igual que el agua de una laguna no puede volver a ascender por el cauce del río por el que ha bajado si no se echa mano de elementos ajenos.

Avanzamos hacia el desorden absoluto

Este proceso rige todo el Universo que conoces. Toda la energía y, por ende, la materia, tiende a buscar estados menos energéticos, lo que supone “diluirse”, distribuirse homogéneamente en el ambiente,  hasta alcanzar el equilibrio último.

Además, esta redistribución “más cómoda” supone sistemas “más caóticos” o “desordenados”, en los que la energía se transfiere de unos cuerpos a otros, uniformemente, hasta igualarse con su entorno. El Universo avanza así, irremediablemente, hacia un estado de máxima entropía y equilibrio que será, a la vista de todo esto, un estado con la energía menos concentrada, más diluida, más repartida, homogénea y, por ende, un estado más desordenado y frío.

En el primero de los ejemplos puestos en este post, la tinta que se diluye en el agua, la primera tiende a repartirse de manera homogénea en su ambiente, rompiendo buena parte de sus enlaces químicos que liberan la energía que los mantenía unidos (y que no generará trabajo) y que, por tanto, provoca que, sin aplicar energía extra, no sea posible recuperar el estado inicial de la tinta. El compuesto de tinta diluida en agua tiene mayor entropía (y menor orden) que la tinta y el agua claramente separadas, por lo que al echar una gota de colorante en un vaso estás contribuyendo a acelerar la descomposición y desorden final del Universo.