Termodinámica

Ciencia nacida del vapor

A comienzos del siglo XIX las máquinas de vapor movían minas y fábricas de la Revolución Industrial, pero nadie sabía cuánto trabajo se podía sacar, como máximo, de una cantidad de carbón. En 1824 un joven ingeniero militar francés, Sadi Carnot, publicó Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego. Demostró que el rendimiento de cualquier máquina térmica depende solo de la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frío, y que ninguna puede convertir todo el calor en trabajo. Carnot murió de cólera en 1832, a los 36 años, y su obra pasó casi inadvertida durante dos décadas.

En la década de 1840, el cervecero inglés James Prescott Joule midió con extrema paciencia cuánto se calentaba el agua al agitarla con unas paletas movidas por pesas que caían. Encontró una equivalencia fija entre trabajo mecánico y calor. El calor no era un fluido invisible, el "calórico", sino una forma de energía. La unidad de energía, el julio, lleva su nombre.

Las cuatro leyes

• Ley cero: si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, lo están entre sí. Es lo que permite que exista el termómetro.
• Primera ley: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Formulada hacia 1847 por Hermann von Helmholtz, entre otros, prohíbe las máquinas de movimiento perpetuo.
• Segunda ley: el calor fluye espontáneamente de lo caliente a lo frío, nunca al revés, y en un sistema aislado la entropía, una medida del desorden, siempre aumenta. Rudolf Clausius acuñó el término en 1865.
• Tercera ley: es imposible alcanzar el cero absoluto, −273,15 °C, en un número finito de pasos.

Lord Kelvin propuso en 1848 la escala de temperatura absoluta que hoy lleva su nombre. Un chiste clásico resume las leyes: no podés ganar, no podés empatar y no podés salir del juego.

Átomos y probabilidad

El austríaco Ludwig Boltzmann dio a la entropía un significado profundo: cuenta las maneras microscópicas en que pueden ordenarse los átomos de un sistema sin que cambie su aspecto macroscópico, $S=k\ln W$. Un vaso que se rompe tiene muchísimas más configuraciones desordenadas que ordenadas; por eso nunca vemos los pedazos rearmarse solos. Boltzmann defendió la existencia de los átomos cuando muchos colegas la negaban; la fórmula está grabada en su tumba en Viena.

Dato curioso: en 1867 James Clerk Maxwell imaginó un "demonio" capaz de separar moléculas rápidas de lentas para violar la segunda ley; más de un siglo después se entendió que el demonio debe borrar información, y eso, inevitablemente, genera entropía.

La flecha del tiempo

Las leyes de Newton funcionan igual hacia adelante que hacia atrás; la segunda ley de la termodinámica, no. Por eso recordamos el pasado y no el futuro, y un huevo frito no vuelve a ser crudo. Los cosmólogos sostienen que el universo empezó, con el Big Bang, en un estado de entropía muy baja, y que su evolución es un largo ascenso del desorden.

Termodinámica cotidiana

Una heladera o un aire acondicionado son máquinas de Carnot funcionando al revés: gastan trabajo para sacar calor de un lugar frío y tirarlo afuera. Los motores de un auto aprovechan apenas un 25-40 % de la energía del combustible; el resto se disipa como calor. Las centrales térmicas, nucleares incluidas, también están limitadas por Carnot. Y los seres vivos, desde las bacterias hasta vos, mantienen su orden interno solo porque consumen energía y liberan entropía al ambiente.