TERMODINAMICA

Hablemos algo sobre termodinámica que será preciso para entender mucho de lo que se dirá en este estudio.

La termodinámica es la ciencia de procesos complejos, ciertamente complicados que requieren un mayor esfuerzo mental para comprenderlos o aplicarlos. Y sin embargo, la termodinámica puede darnos una explicación que nos ayude a entender toda la evolución de la especie humana. Como hemos dicho antes: desde las cavernas hasta el espacio.

La termodinámica se ocupa de estudiar los cambios que sufren los sistemas físicos como consecuencia de la acción de la energía. La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no puede producirse ni destruirse, solamente transformarse. La energía es invariante cambiando solamente su cualidad.

La energía en alguna de sus formas hace posible las reacciones químicas,  a los cuerpos dilatarse, fundirse o evaporarse y a los combustibles quemarse. El calor al ocasionar un aumento de volumen, con la dilatación, puede producir un efecto mecánico susceptible de hacer funcionar un motor.

A la energía se la denomina de muchas maneras, Energía potencial, cinética, libre, mecánica, electromagnética, térmica, gravitatoria, interna, radiante, etc., etc. Pero aunque toda esta nomenclatura parezca un embrollo, una cosa queda clara: Todos los cambios que se producen en la naturaleza requieres la acción de la energía. La seres humanos, para subsistir, recibimos la energía contenida en los alimentos que comemos y en el oxigeno del aire que respiramos. Las sociedades humanas reciben esta energía transformada en trabajo, más la de otros animales, más la proporcionada por las corrientes del aire y del agua, más la contenida en los combustibles vegetales o fósiles, más la energía nuclear.

Si. Todoslos los procesos que signifiquen algún progreso; desde la construcción de una aguja hasta la de un trasatlántico necesitan energía, no estaría por demás detenerse un poco y estudiar la energía que recibe un sistema social y los rendimientos que esta energía produce.
 
1.- CONSERVACION DE LA ENERGIA.

El primer principio de la Termodinámica establece que la energía no puede ser creada ni destruida. Solo puede ser transformada en otra forma de energía pero conservándose a través de todos los procesos. Esto puede resultar un poco ambiguo porque si la energía es capaz de producir fuerza motriz, mover autos, trenes y aviones no se entiende muy bien que esto pueda realizarse sin que una parte de la energía se haya consumido.

En este caso, ¿Cual es la razón de que un motor térmico no pueda moverse indefinidamente como lo hace un planeta girando alrededor del sol?

La diferencia fundamental entre estos dos procesos es que en el primero se trata de un proceso irreversible y en el segundo es uno reversible.

Un proceso entendido como el conjunto de las fases sucesivas de un fenómeno natural se presenta en estas dos formas: Reversible: cuando el final es igual al principio sin producen ningún cambio; Irreversible cuando los cambios producidos impiden al sistema volver a su  punto de partida ni aun invirtiendo la dirección del  movimiento.

Pero existe otra diferencia que resulta sorprendente y que es la que nos interesa analizar aqui. Los procesos irreversibles precisan un suministro continuo de energía para llevarse a cabo.

Aquí conviene hacer un paréntesis para precisar que procedimiento puede emplearse para analizar los cambios producidos en un sistema complejo, ya sea cualquier ser vivo, una sociedad o una especie. Es claro que resulta imposible obtener información sobre las posiciones y movimientos de todas las partículas de un ser vivo con sus miles de millones de células y órganos que componen su estructura, pero si es posible considerarlo como un todo.

ENTROPIA

En 1811 el barón Jean Joseph Fourrier prefecto de l'Isere anuncia su tratamiento Teórico de la propagación del calor en los sólidos que viene a ser como afirmar que si calentamos una barra metálica por un extremo, la sacamos del fuego y la mantenemos aislada acabara por volver a una temperatura uniforme y que el caso contrario nunca ocurre, es decir si la barra tiene la misma temperatura esta nunca se concentra y se transforma en dos focos distintos de calor.

El enunciado de Furrier también comprobaba que el transporte de calor es proporcional al gradiente de temperatura entre los dos cuerpos. También resulta sorprendente el hecho de que esto lo conocen los hombres desde hace miles de  años. Todo el mundo sabe que si quitamos algo del fuego acaba por volver a una temperatura uniforme.

De este enunciado iba a nacer poco después la termodinámica con los aportes de Sadi Carnot y Clausius. El primero por sus estudios del rendimiento de los motores térmicos y el segundo por su enunciado de la entropía.

Sadi Carnot encontró que si bien en teoría era posible diseñar un motor térmico ideal que no tuviera ninguna perdida de energía y que por consiguiente pudiera funcionar indefinidamente, en la práctica, en  un motor real, esto nunca era posible ya que a consecuencia de la propagación del calor enunciada por Fourrier se producía siempre una inútil dispersión que no producía trabajo alguno.  Así nació la termodinámica.

En el ciclo ideal de Carnot el motor debería volver a su estado inicial después de completar cada ciclo es decir, perder la temperatura que había ganado y volver al principio en igual forma de como se había iniciado pero como en un motor real había que contar con las perdidas esto ya resultaba imposible ya que el calor perdido en el proceso no podría ser devuelto a la fuente caliente. Además, después de cada ciclo la diferencia de temperatura disminuía y reducía el rendimiento del motor. Esa es la función de estado: entropía. Así pues podemos asociar la entropia como esa parte de la energia que se dispersa por el sistema sin producir ningún trabajo.

Así nos encontramos que la única forma en que la energía puede producir fuerza motriz es creando una diferencia, pero para lograrlo es necesario que previamente  se destruya otra diferencia por lo menos que sea equivalente. De esta manera los procesos que se originan para producir las transformaciones productoras de cambios son irreversibles. Todos los procesos irreversibles producen entropía y la entropía, en un sistema aislado, va sin remedio a un estado de equilibrio.

Tiende a producir igualdad disminuyendo por consiguiente todas las diferencias existentes dentro del mismo. En sistemas cerrados o abiertos, la entropía se divide en dos partes. La entropía producida dentro del sistema que es siempre positiva y la entropía que puede ser intercambiada con su exterior que puede ser positiva, negativa o nula, siendo el total, la suma de las dos que siempre habrá de ser positiva. Así llegamos a este hecho sorprendente.

La energía permite que se produzca entropía y la entropía intentando llevar al sistema a la igualdad del equilibrio reduce la capacidad de la energía de producir fuerza y movimiento. Queda así establecida una competencia por no decir una verdadera lucha entre la energía y la entropía.

La energía y la entropía son dos estados de cualquier sistema termodinámico y la superioridad que uno obtenga sobre el otro es lo que ocasiona y desarrolla la dirección de todos los cambios que se dan en la naturaleza.

La entropía ha sido identificada con el grado de desorden que existe en un sistema; a mayor desorden mayor entropía hasta llegar al estado de equilibrio donde la entropía y el desorden alcanzan el máximo. En sistemas aislados el estado de equilibrio es el máximo atractor y a el se dirigen absolutamente todos los sistemas. Al alcanzar el equilibrio cesan todos los procesos.

ESTADOS TERMODINAMICOS

Los sistemas termodinámicos pueden presentarse en tres formas distintas:

Sistemas aislados: Son aquellos que no pueden intercambiar ni materia ni energía con su exterior. Se encuentran por lo tanto en un estado final de equilibrio y en ellos ya no se producen procesos de ningún tipo.

Sistemas cerrados: Son los que únicamente pueden intercambiar con su exterior energía pero no materia.

Sistemas abiertos: Estos pueden intercambiar materia y energía con su mundo exterior.

Nuestro planeta es un sistema cerrado. Haciendo abstracción de algún meteorito que pueda caer en él, solamente intercambia energía.

Una bacteria, una célula o una ciudad son sistemas abiertos obtienen materia y energía de su exterior y eliminan los productos de desecho.

Los sistemas abiertos mas representativos son todos los seres vivos. Toman materia y energía del mundo exterior que requieren para su supervivencia y devuelven al medio los productos de desecho y la disipación de la energía.

Aun es necesario presentar otra clasificación de los sistemas termodinámicos:

SISTEMAS EN EQUILIBRIO

Se acaba de decir que los sistemas en equilibrio ya no producen procesos de ningún tipo. Los flujos de materia y energía son nulos y su desorden es máximo.

SISTEMAS ESTACIONARIOS CERCANOS AL EQUILIBRIO.

Estos sistemas realizan la cantidad mínima de actividad que es compatible con las condiciones del medio en que están situados. Sus flujos de materia y energía son positivos pero alcanzando siempre el mínimo que sea posible.

SISTEMAS MUY ALEJADOS DEL EQUILIBRIO.

Los sistemas alejados del equilibrio termodinámico presentan características muy sorprendentes. En estos la materia percibe cambios insignificantes que serian negligibles en el equilibrio; la velocidad de comunicación entre moléculas o individuos aumenta considerablemente así como la velocidad de sus procesos.

Ya que hemos dicho antes que la energía es indispensable para producir procesos irreversibles que son los únicos que a su vez ocasionan los cambios que se producen en una célula, una ciudad o una especie bueno será detenerse un poco y analizar como esto sucede.

La energía es un concepto abstracto. Una sola fuente de energía no produce fuerza motriz ninguna. Lo que si puede hacer la energía es crear una diferencia entre dos focos. En un motor térmico una fuente caliente y otra fría. En una caldera: presión que sea mayor que la que hay en el medio, en una central hidroeléctrica una diferencia en el nivel del agua Y es precisamente esta diferencia la que puede producir fuerza motriz. Así se da la sorprendente circunstancia de que la energía propicia la producción de entropía y esta, al disminuir las diferencias, reduce la capacidad de la energía de producir una fuerza. Los sistemas termodinámicos también son afectados por sus variables como la temperatura, la presión, el volumen y el número de sus componentes de tal manera que una variación en alguno de ellos puede afectar a todos los demás.

Un sistema termodinámico tiene que estar compuesto por un número inmenso de particular sean estos moléculas, insectos u hombres. Mas adelante se demostrará que una sociedad es un sistema termodinámico y responde puntualmente a sus leyes. Energía y dispersión de calor y gases residuales fuera del sistema coinciden absolutamente con los dos principios de la termodinámica. Bajo este punto de mira la evolución social, su dirección y sus crisis tendrán un nuevo sentido.