domingo, 20 de mayo de 2012

Evolución y la segunda ley de la termodinámica


El argumento va más o menos así: “Todos los sistemas naturales tienden al desorden por si solos. Por lo tanto, la evolución no es factible puesto que parte de un sistema desordenado para acabar en uno altamente ordenado.” Ejemplo de este tipo de argumentos aquí: http://www.christiananswers.net/q-eden/edn-thermodynamics.html. Advertencia: este post es una breve introducción a la termodinámica (esperando que les cause algo de curiosidad) para rematar con una rápida discusión de porque un argumento que alude a la segunda ley es algo absurdo.

La termodinámica es una rama de la física que estudia la materia desde una perspectiva macroscópica. Es decir, toma cualquier trozo de materia ignorando sus componentes internos y describe su comportamiento ante diferentes procesos. En la termodinámica no hay átomos, se estudia la materia como un todo. Ejemplos: un gas que es comprimido, una liga que se estira, un alambre que se rompe o un imán. También, es la ciencia fenomenológica por excelencia. Sus postulados básicos o leyes se derivan exclusivamente de las observaciones experimentales; a diferencia de otras teorías físicas como la mecánica newtoniana (cuyas leyes se derivaron de la brillante imaginación de Sir Isaac Newton y algunas observaciones de otros que le precedieron). La termodinámica es una teoría incompleta en el sentido que no se consideran (como ya mencioné) los componentes internos de la materia. No por esto resulta inútil, dentro de su rango de aplicabilidad nos ha dado tremendos resultados. Las máquinas térmicas como los motores y refrigeradores son un par de sus muchas aplicaciones.

En su formulación clásica, la termodinámica consta de 4 leyes. Numeradas del cero al tres. Veamos, en términos simples de que habla cada una. La ley cero establece la existencia de una propiedad a la que estamos intuitivamente acostumbrados: el equilibrio térmico. Cuando un par de objetos se ponen en contacto, después de un rato alcanzan un estado especial en el cual sus propiedades no varían con el tiempo. Por ejemplo, un vaso con agua fría se calienta hasta temperatura ambiente si se deja a su suerte. Si imaginamos el vaso con agua dentro de un contenedor aislado del mundo, sucederá que el aire que rodea el vaso se enfriará y el agua se calentará hasta alcanzar una temperatura intermedia. El concepto de temperatura es un poco más complicado de lo que nuestro cerebro nos hace imaginar. Nosotros solo detectamos diferencias de temperatura, no somos capaces de medirla con nuestros sensores biológicos. Metan una mano en agua fría y otra en agua caliente, al mismo tiempo. ¿Qué sienten? Desastre. Dicho en palabras simples, la temperatura es lo que medimos con un termómetro. El termómetro es un aparato al que se le asocia una escala arbitraria con una propiedad que varía según la temperatura del cuerpo con el que se le ponga en contato. Imaginen un termómetro de mercurio. Cuando lo ponemos bajo el brazo, el mercurio dentro del capilar alcanza el equilibrio térmico con nuestro cuerpo a costa de un cambio en sus propiedades: se expande. Aquí asociamos la expansión de un metal con la temperatura de un objeto. Existen muchos otros tipos de termómetros, asociados a otras características de la materia que varían con la temperatura, por ejemplo: volumen, presión, resistencia eléctrica, tensión elástica, étc. De este postulado (la existencia del equilibrio térmico) se puede derivar una relación matemática que implica la existencia de lo que nosotros llamamos temperatura. En resumen, la ley cero postula el equilibrio térmico (observado en experimentos) y de este se deducen otras 2 consecuencias: la existencia de la propiedad conocida como temperatura y una más abstracta llamada ecuación de estado térmica.

Pasamos a la primera ley, conocida como la conservación de la energía. Esta ley postula la existencia de una segunda propiedad llamada: energía interna. Usando ejemplos mundanos imaginen que tenemos una cubeta metálica llena de agua fría. Si frotámos un par de piedras sumergidas, elevaremos la temperatura del agua por efecto del rozamiento entre las rocas. Si en su lugar la ponemos bajo una flama también elevaremos la temperatura del agua. Podemos también revolverla violentamente y elevar su temperatura. Estos “experimentos” revelan que en efecto, existe una propiedad de la materia que se puede modificar por diferentes caminos. En el caso de las piedras y la agitación, un agente externo le agregó energía al sistema a través de un trabajo. En el caso de la flama, se le transfirió calor. En su formulación matemática, la primera ley establece que el cambio en la energía interna de un cuerpo es igual a la diferencia entre el calor transferido y el trabajo realizado sobre él. Experimentalmente se sabe que el calor y el trabajo mecánico son equivalentes. El calor y la temperatura son conceptos completamente diferentes, al menos en el terreno de la física. Resumiendo, de la primera ley se obtiene una nueva propiedad: la energía interna. Un análisis más detallado también nos permite deducir una nueva ecuación similar a la obtenida de la ley cero: la ecuación de estado calórica. Una pequeña digresión: si usted sabe algo de matemáticas, le invito profundizar hojeando un texto formal de termodinámica. No requiere conocimiento previo de física (aunque ayuda); únicamente cálculo diferencial “de a peso” y un poco de paciencia. “Introducción a la termodinámica clásica” de Leopoldo García-Colín y “Termodinámica” de Enrico Fermi son libros magníficos al respecto. Evite los libros repletos de tablas y formularios (que para este tema se cuentan por montones). Entender los argumentos con los que se construye una idea y deducir todo a partir de principios básicos es un ejercicio poderoso.

Llegamos, por fin, a la segunda ley de la termodinámica. Este es otro postulado que se deriva de observaciones experimentales que, a simple vista pueden parecer obvios. En palabras simples, la segunda ley introduce en la termodinámica el hecho de que existen procesos que solo ocurren en una dirección. Nuestro vaso de agua fría se va a calentar pero jamás se va a enfríar por si solo. Si dejamos rodar una pelota sobre una superficie rugosa, esta se va a detener debido a la pérdida de energía por fricción: jamás va a recuperar esta energía de sus alrededores y ponerse en movimiento por su cuenta. A esto me refiero con procesos que ocurren en una sola dirección. En el argot termodinámico se les conoce como procesos irreversibles. El hecho de que existan tales procesos implica que hay una propiedad extra que se modifica de acuerdo a este proceso. A esta propiedad se le conoce con el nombre de entropía (viene del griego y se traduce como: evolución, transformación). No tiene nada que ver con “el grado de desorden de un sistema” o la “tendencia al caos”. Estamos en termodinámica y la entropía no es otra cosa que una cierta propiedad que debe su existencia a los procesos irreversibles. Como ya mencioné, los procesos irreversibles son una asimetría que se presenta en la naturaleza, es algo que se observa y se mide en el laboratorio. La asociación que se hace con el grado de desorden viene de otra área de la física conocida como: mecánica estadística. En ella, hay una fórmula que se deriva al analizar la cantidad de estados posibles en los que se puede hallar cierto sistema. La forma matemática de esta fórmula y la entropía termodinámica de un gas ideal son similares (aunque conceptualmente distintas). Pero la termodinámica no tiene nada que decir acerca del “orden” de un sistema, simplemente porque trata con propiedades macroscópicas, no con las posiciones individuales de cada partícula o átomo que compone un sistema (a diferencia de la mecánica estadística). Resumiendo, la segunda ley de la termodinámica establece la existencia de una propiedad asociada a los procesos irreversibles: la entropía.

El cuarto postulado o la tercera ley de la termodinámica (nada trivial) lidia con la entropía y la imposibilidad de alcanzar la temperatura cero (el cero absoluto). Suspendemos aquí esta breve introducción y regresamos al argumento anti-evolución.

Revisando el contenido de la segunda ley es evidente que asociar el desorden o la tendencia al caos es erróneo. Aquí una versión más sofisticada del argumento (del mismo sitio): 2da ley: No existe un proceso cuyo único resultado sea el de enfríar una fuente de calor y realizar trabajo sobre el exterior- En palabras simples, esta ley observa el hecho de que la energía utilizable en el universo está disminuyendo […] Derivado de esto concluímos que el estado más probable para un sistema es el desorden. Todos los sistemas naturales se degeneran cuando se dejan a su suerte”. El primer punto es interesante: la energía disponible se está agotando. Esto es algo que no sabemos ¿solo hay un universo? ¿es cerrado o intercambia formas de energía con otros “universos”? Nadie lo sabe. Pero nada tiene que ver con la evolución de los organismos. Los párrafos que suceden al citado discuten como no es posible que exista un sistema natural que disminuya la entropía en el universo. Ignorando el error de asociar la entropía con el grado de desorden de un sistema, podemos referirnos a los tipos de procesos que ocurren en los sistemas biológicos: procesos irreversibles. Siempre que ocurra un procesos de este tipo, la entropía del sistema (universo+cosas que viven dentro de él) aumenta. Esto es una consecuencia de la segunda ley. El hecho de que las células de nuestro cuerpo formen arreglo complejo y “ordenado” no disminuye la entropía del entorno. No se viola ningún principio de la termodinámica, el argumento se deriva de una mala interpretación de la termodinámica (y su alcance), o unas deliberadas ganas de chingar.

2 comentarios:

  1. Muy interesante.
    L.A.

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  2. Un buen análisis exhaustivo de la teoría de la termodinámica, pero que hay sobra el estudio de la teoría del caos del premio nobel Prigogine, es una falacia o es una nueva forma de control, utilizando el cuerpo conceptual científico.

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