Las revoluciones de un motor como motor de una revolución

Vaya con un homenaje a los carnotistas.

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La revolución industrial, necesitada de algún principio rector que guiara la construcción de las primeras máquinas de vapor, desarrolló los elementos de la teoría física que posteriormente se llamó termodinámica. Lo poco que de ella se enseña en las escuelas, adolece de la falta más terrible que un pedagogo puede cometer: desdibuja la innegable belleza de la teoría. Por otro lado, las facultades de ingeniería convierten a la termodinámica en una religión basada en el pragmatismo: sirve y punto. Pero como tal, sus dogmas deben aceptarse sin cuestionamientos, y eso excluye la primera objeción que debe poner una mente despierta: ese resumen pragmático de la teoría, compuesto de un montón de fórmulas sin mayor conexión aparente, es simplemente horrible.

Entonces ¿dónde está la belleza de la termodinámica, si ni siquiera quienes duermen con ella pueden percibirla?

Empecemos con que la termodinámica es una teoría universal, en el sentido de que se puede aplicar a cualquier sistema físico. Es decir que si elegimos cualquier porción arbitraria del universo, sea ésta definida por una región del espacio (por ejemplo: todo lo que haya dentro de mi habitación) o por un tipo de constituyente particular (por ejemplo: todos los peces verdes de todos los mares de todos los mundos), existe una buena descripción termodinámica de ese sistema. Esa universalidad se borronea un poco cuando completamos diciendo que la termodinámica sólo puede describir algunos de los estados del sistema: los llamados estados de equilibrio. Pero ¿Qué es exactamente un estado de equilibrio?

Un estado de equilibrio es un estado que cambia con el tiempo de modo imperceptible, sea porque lo hace muy lentamente, o porque sólo cambian cosas pequeñas e inaccesibles que no podemos observar. Algunas personas sugieren que la termodinámica debería entonces llamarse “termoestática”. Como ejemplo, el lago Argentino en sus momentos de mayor tranquilidad se podría considerar en un estado de equilibrio. Pero no todos los estados cuyo cambio es imperceptible son estados de equilibrio. Por ejemplo un río calmo como el Plata fluyendo en una tarde tranquila cambia de modo imperceptible, pero tal estado (que contiene flujos estacionarios) no es un estado de equilibrio. Para algunos sistemas llamados extensivos los estados de equilibrio son estados en los cuales las propiedades del sistema son homogéneas, es decir que cada parte del sistema luce igual que cualquier otra parte. Por ejemplo, el aire dentro de mi habitación es un sistema extensivo, y está en equilibrio cuando tiene la misma temperatura en todos los puntos, incluso junto al cielorraso o debajo de la cama (como sucede en estos tórridos días). Los objetos dentro de la habitación están en equilibrio cuando se podría encontrar cualquiera de ellos en cualquier lado (como me pasaba antes de casarme). Pero el problema es que no todos los sistemas son extensivos, por ejemplo los agujeros negros y las burbujas pequeñas no lo son, y por lo tanto sus estados de equilibrio no son homogéneos. En conclusión: es todo un arte determinar cuáles estados de un sistema dado son estados de equilibrio. Y sólo esos estados serán susceptibles de una descripción termodinámica.

El concepto fundamental de la descripción termodinámica es el de entropía. La entropía es una cantidad que se puede asignar a los estados de equilibrio de cualquier sistema, y que rudamente cuantifica el grado de desorden de ese estado. La termodinámica es una teoría abierta: para describir un dado sistema necesita que le proveamos una información extra, que se debe averiguar por algún método no termodinámico (el experimento, por ejemplo). Tal información extra consiste en lo que se llama la ecuación fundamental, que nos dice cuanto vale la entropía para cada uno de los posibles estados de equilibrio de un dado sistema. Conocida la ecuación fundamental, tenemos toda la información necesaria para decir qué sucederá con los estados de equilibrio de dicho sistema.

Las predicciones se hacen aplicando a la ecuación fundamental las famosas dos leyes de la termodinámica… ¡que en realidad son cuatro! A saber:

Ley Cero: El equilibrio termodinámico es una propiedad transitiva – si un sistema que tiene dos partes A y B está en un estado de equilibrio, y un nuevo sistema formado por la parte A y un nuevo pedazo C también está en equilibrio, entonces un tercer sistema formado por la parte B y la parte C estará necesariamente en equilibrio. Esta ley nos ayuda a identificar cuáles estados de un sistema son estados de equilibrio.

Primera Ley: El calor es una forma de energía – los procesos en donde la energía no se conserva son en realidad procesos donde la parte “faltante” de la energía se transformó en calor. Es decir que las baterías del celular no se gastan, en el sentido de que su energía no desaparece del universo, sino que simplemente la energía faltante calentó las orejas de quien escuchaba la llamada de su suegra. Esta ley nos ayuda a determinar cuales cambios de un estado de equilibrio a otro -o transformaciones- son posibles en un dado sistema.

Segunda Ley: La entropía de un sistema aislado nunca disminuye – esta ley ha sido otra de las víctimas del postmodernismo idiotizante, que la ha usado para justificar casi cualquier delirio. Para curarnos en salud, notemos que esta ley no afirma que la entropía de cualquier sistema siempre aumente (como se suele enunciar), sino que se limita a sistemas aislados, es decir que no tienen ningún tipo de interacción ni intercambio con ningún otro sistema, pedazos del universo completamente ciegos y sordos, que nada ganan ni nada pierden cuando algo pasa en el exterior. Por ejemplo, los seres vivos no son sistemas aislados, por lo que la segunda ley de la termodinámica no es una formulación científica de la inevitabilidad de la muerte. Además, la ley afirma que la entropía nunca disminuye, lo que implica que de hecho podría no aumentar sino permanecer constante. Esta ley nos ayuda a determinar cuales de las transformaciones posibles realmente tienen lugar.

Tercera Ley: La entropía de un sistema que no tiene energía es cero. Es decir que si se acabaron las pilas de un juguete y no hay absolutamente ninguna forma de extraerle más energía -es decir que está en su estado de menor energía, o estado fundamental-, entonces ese juguete está en un estado máximamente ordenado. Esta ley no es muy útil en la práctica ingenieril, sino que más bien tiene una importancia teórica, haciendo a la termodinámica consistente con su hija histórica y madre conceptual, la mecánica estadística.

En conclusión la termodinámica es una teoría muy simple, donde todo se reduce aplicar cuatro leyes a una sola ecuación, la ecuación fundamental. Aún con tal simplicidad, resulta muy útil para entender procesos térmicos dentro de un motor, reacciones químicas en un laboratorio, intercambio de sustancias dentro del cuerpo humano, y hasta la creación y evolución de agujeros negros. Es uno de los logros más impresionantes de la ciencia de los siglos XVIII y XIX, y una de los que trajo mayores consecuencias en nuestra vida diaria. Es el ejemplo perfecto de un desarrollo científico incipiente que hace posible un cambio social, siendo luego motorizado por los intereses emergentes del nuevo orden. Sin termodinámica no hubiera habido una revolución francesa, ni un capitalismo industrial, ni una democracia. Y sin ellos no hubiera habido una termodinámica.