¿Incumple el aceite y el agua la segunda ley de la termodinámica?

Por • 28 Jul, 2013 • Sección: Hablar de Ciencia

Breve recordatorio de la segunda ley de la termodinámica.

La segunda ley de la termodinámica, la ley de la entropía,  se puede enunciar de la siguiente manera: todo sistema aislado, que no intercambia materia ni energía con el exterior, evolucionará hacia un estado de máximo desorden. Esto implica una degradación u homogenización de la energía (incremento de entropía). El sistema, por tanto, evolucionará hacia configuraciones globalmente más uniformes (de mayor entropía), aunque la entropía de algunas partes del sistema puedan disminuir.

Por tanto, este principio afirma que en todo proceso de transferencia energética siempre hay un aumento de la entropía, es decir, del desorden. Y esto es un problema ya que cuando un sistema se desordena totalmente no podemos obtener más provecho energético del mismo.

Por ejemplo, podemos considerar un sistema ordenado el que forman un cuerpo caliente junto a otro frío. Microscópicamente, podemos considerar que las partículas que tienen mayor energía cinética están en el cuerpo de mayor temperatura, y al otro las que tienen menor energía cinética. Debido a esta diferencia de temperatura podemos obtener un trabajo cuando se produce una transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro. A esta transferencia de energía térmica entre cuerpos de distinta temperatura es lo que denominamos calor. Microscópicamente veríamos partículas con mayor velocidad chocando con partículas de menor velocidad hasta que al final todas alcanzarían la misma velocidad, y ambos cuerpos alcanzarían la misma temperatura. Este sistema resultante está más desordenado que el anterior y ha alcanzado el equilibrio término. Esto hace que no podamos obtener más provecho energético de dicho sistema.

Imagen extraída de electronegatividad94.blogspot.com

Pero, como he mencionado antes, el principio entrópico no impide que se produzca orden localmente siempre y cuando haya un aumento de desorden global mayor. Por ejemplo, la vida se basa en el orden de estructuras, produciendo una gran complejidad. Nosotros mantenemos un orden vital para permanecer vivos, pero no estamos aislados. Para ello obtenemos energía de los alimentos que comemos todos los días. Alimentos que también se ordenan produciendo materia orgánica a través de la fotosíntesis que pueden realizar gracias a la luz del sol. Para que nosotros permanezcamos ordenados tiene que haber otro lugar que se esté desordenando más, de tal manera que el desorden global sea mayor. Este lugar es el propio sol. Todos sabemos lo que ocure cuando dejamos de obtener energía del exterior para permaneces ordenados: la muerte.

El caso del aceite y el agua.

Imagina que agitamos una mezcla de agua y aceite. Como no se mezclan, lo que ocurrirá es que habrá gotas de aceite dispersas en el agua como se observa en la imagen.

Imagen extrída de killuminati2012.wordpress.com

Imagina ahora que podemos aislar dicha mezcla de toda influencia, es decir, que no haya ningún intercambio de materia ni energía con el exterior. Si esperamos el suficiente tiempo y observamos el sistema, en contra del segundo principio, el aceite se ha ordenado situándose en la parte superior y el agua en la parte inferior.

Imagen extrída de commons.wikimedia.org

¿Es posible que un sistema tan sencillo haya puesto en jaque uno de los principios básicos de la termodinámica y de la ciencia? Está claro que no. ¿Cómo podemos explicar lo ocurrido sin ir en contra del principio entrópico?

Realmente sí se cumple el segundo principio. Veamos primero una metáfora para luego tratar el tema concreto del agua y el aceite.

La manifestación.

Para ello, vamos a usar una metáfora con personas. Imagina que en una manifestación hay un grupo de personas que producen actos violentos y la policía los quiere controlar. Supón que son veinte personas en total y la policía los ha acorralado en dos grupos de diez. Los agentes juntan a las diez personas en forma de círculo y se cogen de la mano, estirando los brazos, y las rodean formando una circunferencia alrededor de ellas. Supón también que se necesitaran cinco policías para formar cada circunferencia. Como hemos hecho dos circunferencias, de cinco policías cada una, necesitaremos diez policías  en total. Podemos decir que los policías que forman las circunferencias están ordenados, forman una estructura geométrica determinada, una de las más perfectas, mientras que los demás siguen desordenadas en la manifestación.

Ahora la policía decide juntar los dos círculos de tal manera que forman uno solo con las veinte personas dentro. Podemos comprobar (ver el final del post) que el círculo que formamos tiene menor área que las suma de los dos anteriores y se necesita menos longitud de circunferencia para rodearlos.  Imagina que los policías consiguen rodearlos con ocho agentes, de la manera que los dos que sobran se desordenan con el resto de los manifestantes. Aunque se ha producido orden en un lugar de la manifestación el desorden global ha sido mayor.

Ahora sustituyamos a los policías por moléculas de agua y a las personas por el aceite. Cuando el aceite se mezcla con el agua se forman esferas (y no círculos) de aceite que están rodeadas por el agua. Rodeando las esferas, al igual que los policías, se encuentran las moléculas de agua bien ordenadas. El agua no interacciona con el aceite porque es polar mientras que el aceite es apolar. Cuando dejamos el sistema aislado un tiempo, observaremos que las gotas se irán uniendo, disminuyendo la cantidad de moléculas de agua ordenadas, hasta que finalmente todo el aceite quede arriba y el agua abajo. Este es el modo en que menos moléculas de agua están ordenadas.

Por tanto, aunque macroscópicamente nos parezca que se ha producido orden espontáneamente, microscópicamente el sistema se ha desordenado. De hecho, si le suministramos energía del exterior, agitando, el sistema se ordena aunque parezca totalmente lo contrario.

Volumen y superficie de las gotas de aceite.

Supongamos que tenemos dos esferas de aceite cuyos radios tienen un valor de 1 cm. El volumen y la superficie de cada esfera será:

Por tanto, el volumen y las superficie de las dos esferas serán:

Volumen de dos esferas: 8,38 cm3

Superficie de dos esferas: 25 cm2

Si juntamos las dos esferas, el volumen de la nueva esfera será la suma de las dos y tendremos que calcular el radio de dicha esfera para calcular la nueva superficie:

La superficie ha disminuido en 5,4 cm2

Por tanto, al disminuir la superficie, menos moléculas podrán estar ordenadas alrededor de la gota de aceite.

Una conclusión vital.

Como dice Jorge Laborda, en su libro Luna y civilización (ver biblioteca), esta facilidad del agua para desordenarse es una característica que no se suele comentar. Como hemos visto, el agua sacrifica su orden para ordenar otro sistema, en este caso orgánico. Algo fundamental para el origen de la vida es que la materia orgánica se justase y esto fue posible gracias al agua.

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2 comentarios »

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  2. Por cierto, en el siguiente enlace podéis ver la presentación de Jorge Laborda de su libro Luna y Civilización donde plantea este tema del agua:

    http://www.youtube.com/watch?v=NyAMpuBoOQk

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