Las Leyes de la Termodinámica
La termodinámica estudia el movimiento del calor (las transformaciones de energía). La termodinámica está presente en todo lo que nos rodea, incluidos nosotros mismos.
La primera Ley de la Termodinámica:
La energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. (Licia Verde, Universidad de Barcelona).
Escena: "Se encuentran Manel y Elena por primera vez, Manel mirando la pantalla gigante y Elena bajando las escaleras."
La primera Ley de la Termodinámica se cumple en todo sistema cerrado. Aunque la energía se transforme, la cantidad total permanecerá constante. (Celine Boehm, Universidad de Durham / CNRS)
Escena: "La pelea de Manel y Raquel en el restaurante."
La calidad se va reduciendo, pues una parte de la energía adopta la forma del calor.
Isaac Newton
Estableció las leyes científicas. él nos enseñó que el universo se podía entender en términos matemáticos exactos. Especialmente con sus leyes del movimiento y de la gravitación universal. (Denise R. Goncalves, Valongo Observatorio, UFRJ)
- 1era Ley del movimiento o de la inercia: si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este seguirá moviéndose en línea recta y con la misma velocidad indefinidamente.
Escena: "Manel está caminando en línea recta sin interrupciones"
Inercia es lo que se ve actuando en ese momento.
Un cuerpo acelera de forma proporcional a la fuerza que se le aplique. La fuerza que impulsa a Eva es su madre, todo cuerpo que ejerza una fuerza sobre otro recibirá una fuerza de igual intensidad en sentido contrario. Esto es el principio de acción-reacción.
Escena: "Pablo y Eva Chocan"
- 2da Ley de la gravedad o atracción de los cuerpos:afirma que la atracción entre dos cuerpos es mayor cuanto mayores sean sus masas y disminuye con la distancia que los separa.
La gravedad es la razón de que los planetas giren alrededor del sol y también de que las cosas caigan aquí en la tierra.
Escena: "Pablo se para y camina hacia Elena acercándose a ella."
La gravedad de un cuerpo depende de su masa, que no debemos identificar con el peso, si no la cantidad de materia atractiva. Lo que dijeron Copérnico y Galileo Galilei fue: "Esperad todos nosotros somos lo que giramos alrededor del sol, como el resto de los planetas." Significaba que la tierra ya no era el centro del universo y tan solo era otro planeta más.
Escena: "Manel y Elena bailan en la pista."
Kepler y sus leyes para las órbitas planetarias.
Los planetas no dan vueltas en círculos cuando están detrás del sol se alejan un poco y cuando pasan por delante se acercan. Cuando pasan por delante recorren un poco más deprisa. Y que los planetas con órbitas más alejadas se mueven más despacio.
Escena: "Ejemplo del sistema solar entre Elena y Manel en la pista de baile."
Y así se han establecido las leyes de la física clásica.
La gravedad es una gran fuerza cuando se trata de atraer cuerpos entre sí. En distancias cortas otras fuerzas son más poderosas que la gravedad. Hay otras tres fuerzas fundamentales que rigen el comportamiento de las partículas atómica y subatómica.
* 1 fuerza: La electromagnética: En distancias cortas es muchísimo más intensa que la gravedad. Puede aperar en dos direcciones, puede ser atractiva o puede ser repulsiva.
Escena: "Pablo y Eva bailando."
La acción del electromagnetismo está presente en la mayoría de fenómenos cotidianos. Es también el responsable de toda la química y la biología.
Escena: "Manel y Elena hablando en la pista de baile."
Química es lo que hace que todo fluya suavemente entre las partículas, cuando la química es intensa se siente realmente la electricidad. (Manel Suárez).
Escena: "En el set de fotografía Elena abraza a Manel."
Las otras dos fuerzas fundamentales son más difíciles de detectar porque solo operan en el interior del núcleo atómico.
* 2 fuerza: Fuerza nuclear débil: puede tanto atraer como repeler pero lo hace solo a distancias muy cortas y causa la radiación. En realidad la fuerza nuclear débil no es tan débil ni tan difícil de detectar. Dentro del sistema atómico esa fuerza se siente con mucha intensidad.
Escena: "Manel y Elena se besan y van a la cama."
* 3 fuerza: Fuerza nuclear fuerte: es la más poderosa de todas, esta es la fuerza que se encarga de mantener las partículas unidas en el interior del núcleo. Y se sabe lo difícil que es romper el núcleo de un átomo.
La fuerza nuclear fuerte vuelve a las partículas inseparables, se trata de dependencia.
Escena: "Manel y Elena se besan antes de que Manel salga de su casa."
Lo interesante de la fuerza nuclear fuerte es que al contrario que el electromagnetismo, no disminuye con la distancia sino que aumenta. Es como si ataras a dos partículas con una goma elástica. Cuanto más las separas mayor será la atracción entre ambas. Cuanto se aleja más la otra partícula, más la necesitas, y cuando la goma se rompe ocurren cosas como la bomba atómica. (Manel Suárez)
Escena: "La pelea entre Manel y Elena, explota el corazón de Manel."
Si dos partículas sometidas a las mismas fuerzas, las sienten con igual intensidad. Algunas señales indican que esas fuerzas podrían no tener exactamente el mismo efecto en ambas partículas.
Escena: "Manel y Elena caminan con sus bicicletas y él quiere tocar su mano y ella se aleja en ese instante."
Quizás para la otra partícula la fuerza nuclear débil sea demasiado débil. O la carga no sea tan complementaria o la goma de la fuerza nuclear fuerte sea muy elástica. Por no mencionar que la gravedad nunca deja de actuar.
Escena: "Manel y Elena en la cama"
La segunda Ley de la Termodinámica:
Es una de las fuerzas más extrañas de la naturaleza. Introduce un nuevo concepto muy sutil, pero del que no hay forma de escapar. Nos hace preguntarnos sobre la naturaleza o sobre el destino del universo. Significa que todo sistema evoluciona y hasta cierto punto se degrada. Parece sugerir ya porque el futuro va en una dirección concreta. Las cosas van a empeorar ya esto se le conoce como la entropía.
Escena: "Manel se gira y hace el ángel y se rompe."
La entropía mide la degradación de la energía útil en calor.En un sistema cerrado la entropía siempre va en aumento, crece y crece cada segundo y eso es la segunda ley de la termodinámica. La entropía mide la energía que se pierde y no puede ser recuperada. Aunque el calor es una de las formas de energía cotidiana, es muy ineficiente y no se puede crear nada a partir del calor, así que calor y entropía son cosas malas.
El calor es la forma de energía menos fiable y de peor calidad, necesitas una cantidad enorme de calor para un mínimo rendimiento. Por ejemplo la ruptura del núcleo atómico.
Escena: "Elena le rompe el corazón a Manel con decirle que hay otra persona en su vida."
El calor es un subproducto del trabajo realizado, por eso la entropía es una medida, la energía inútiles desperdiciada. El calor a nivel microscópico es el movimiento de las partículas del sistema. El calor se traduce en agitación de las partículas cuanto más caliente esté el sistema más se mueven las partículas y cuanto más frío esté el sistema más quietas y más ordenada están las partículas. Por tanto, la entropía puede verse como una medida de desorden del sistema.
A mayor entropía habrá más desorden y será menos probable encontrar una partícula dónde estaba inicialmente.
Escena: " Manel va al set de grabación y Elena se ha ido sin decirle."
Hay muchas configuraciones de las partículas en un sistema, y en la mayoría están desordenadas y solo unas pocas estén ordenada. Por tanto la entropía tiende a aumentar y el desorden gana. Como consecuencia de este desorden creciente, que es una pérdida de energía mantener el sistema en funcionamiento requerirá un nuevo aporte de energía exterior.
Escena: "Elena y Manel cenan y después Elena desordena la casa de Manel y su cafetera explota."
Hay una cualidad de la segunda ley de la termodinámica que le da un toque determinista, una vez que se ha puesto en marcha el proceso, la entropía aumenta y esto impide que el proceso se de la vuelta, que de marcha atrás. Eso se convierte en el proceso irreversible.
El tiempo avanza y la entropía aumenta y los procesos irreversibles ocurren. Esto nos obliga a recapacitar sobre la naturaleza de los procesos fundamentales. De hecho es imposible recuperar las condiciones iniciales del sistema.
Escena: "Manel y Elena montan en bicicleta y Pablo y Eva llegan a su casa."
Hay dos cosas que tienen una misma dirección y son el aumento de la entropía y la flecha del tiempo: (Mathieu Langer - Universidad de Paris)
Por eso podría pensarse que la entropía es la responsable de la dirección única con que experimentamos el flujo del tiempo. Pone límites, si no existiera la segunda ley podríamos recuperar la energía inicial.
El avance de la entropía es lento, casi inapreciable a veces, pero imparable. Para eliminarla haría falta detener el movimiento de las partículas. Fijarlas en una estructura inalterable y ni aún así se conseguiría eliminarla del todo. La entropía acaba con la eficiencia del sistema y la máquina deja de funcionar. (Manel Suárez)
Escena: "Elena le pide a Manel que se tomen un tiempo."
Hay otra forma de expresar el sentido de la entropía, si la energía disponible en el universo se degrada de forma continua e irreversible en un futuro lejano podría no quedar suficiente para mantener los procesos que hoy vemos. Y esto llevaría a lo que se conoce como muerte térmica del universo.
El problema fundamental de la física clásica es llamada Paradoja del Punto de Vista. Dos observadores que se mueven uno respecto del otro, medirán las cosas de forma diferente.
Escena: " Pablo se cae del bus."
Desde el punto de vista de la novia, Pablo cae en línea recta hacia el suelo. Para la amante en cambio, puesto que el auto bus avanza Pablo cae siguiendo una parábola. La parábola es obviamente más larga que la línea recta, por lo que la amante necesariamente lo ve caer a mayor velocidad que la novia.
Albert Einstein
Demostró que no solo el espacio se contrae o estira según la posición del observador si no que el tiempo es relativo también.
- La relatividad especial: ninguna medida del tiempo es mejor que otra. Todo depende del movimiento del observador pero todo esto es solo una parte de la teoría. También propuso otra teoría insólita llamada Relatividad General.
Gracias a Einstein se sabe que caer por influencia de la gravedad es completamente equivalente a ser acelerado.
Escena: "Manel sale corriendo por la calle para encontrarse con Elena"
Enamorarse tiene el mismo efecto que un carrerón por encima de tus posibilidades y en ambos casos el corazón se dispara y quiere salir por la boca. La conclusión de Einstein fue, la gravedad no actúa como fuerza normal. Ya no es necesario ver la gravedad como una fuerza, podemos describir la atracción gravitatoria como un efecto de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia del otro cuerpo masivo.
La teoría de la relatividad fue revolucionaria pero apareció casi al mismo tiempo que la última gran revolución, la física cuántica.
Escena: "Manel visita la casa de Elena."
Ejemplo es de las inverosímiles leyes cuánticas. El más conocido es el Principio de Incertidumbre.
- Principio de Incertidumbre: trata de dos magnitudes que no pueden ser medidas con infinita precisión al mismo tiempo. Si sabes dónde está la partícula, no podrás saber a qué velocidad se mueve y si conoces su velocidad no podrás saber donde está.
La causa de esta incertidumbre es que observar la partícula afecta a su situación. Como si solo hiciera lo que observamos mientras la observas o como si lo representara solo para ti. El resto del tiempo no hay forma alguna de saber con certeza qué está haciendo. Consiste en qué no solo en saber que está haciendo sino en algo mucho más inquietante. Cuando no observamos la partícula decimos que está difuminada en una nube de probabilidad.
- La nube de Probabilidad: en la que podemos decir que no está haciendo nada en concreto y a la vez lo está haciendo todo. La dualidad onda-partícula la introdujo la física cuántica.
Escena: "Manel y Elena en la cama, Elena se levanta y se lleva su celular con ella al baño."
En la nube de probabilidad aunque unas cosas son más probables que otras, en realidad cualquier cosa es posible. Todo el universo puede comportarse como una onda o como una partícula. La partícula solo puede estar en una sitio cada vez. Lo que ocurre es que mientras no se observa la partícula se comporta como una onda. Y las ondas se extienden por todo el espacio a su alrededor. Puedes verlo como que la partícula encarnada en esa onda es de alguna forma ubicua.
Esto significa que no solo puede estar en cualquier otro lugar, y también que está en todos esos lugares a la vez. Aunque no se puede saber con exactitud dónde está una partícula, si se conoce con exactitud la probabilidad de encontrarla en un lugar dado. Si se estudia un número suficiente de partículas se puede asegurar de que la probabilidad siempre acierte. A la larga es infalible, esto viene a ser igual porque es estudiar la misma partícula en un número suficiente de veces.
Y las relaciones tienen la particularidad de que nos dan tiempo para estudiar la partícula un montón de veces más. (Manel Suárez)
En el momento en que se observa la partícula, la nube y el resto de posibilidades desaparecen, la partícula deja de comportarse como onda y realmente está haciendo lo que ves.
Escena: "Manel entra a la casa de Elena y la encuentra besándose con Lorenzo."
Se dice que la física cuántica se terminó con el determinismo científico y solo era un error de apreciación. (Manel Suárez)
La probabilidad de que las demás partículas estén donde tú quieras, será siempre pequeña.
Escena: "Elena en el set de grabación y entra con Lorenzo a el camerino y Manel los observa."
Cuando dos partículas han estado unidas, en el núcleo de un átomo se crea un entrelazamiento cuántico. Y ambas conservan estados complementarios aunque se separen y aún así permanecerán conectadas.
Si se mide una de ellas se obligará a la otra a encontrarse en el estado contrario. No importa la distancia que los separe.
Escena: "Manel bebiendo y hablando con Pablo y Eva."
Tras la relatividad y la física cuántica un impactante descubrimiento confirmó lo lejos que estábamos de comprender la realidad. El universo no solo es inmensamente grande si no que se está expandiendo. Todos los cuerpo del universo se están alejando unos de otros, y cuanto más lejos están más rápidamente se alejan. Esto lleva a la conclusión de que al principio todo el universo debió estar concentrado en un imposiblemente pequeño e inconcebiblemente denso punto. Y entonces llegó el Big Bang y la pregunta de los científicos fue ¿Hacia dónde va el universo, cuál será su destino final?
Se pensaba que si el universo hubiera tenido suficiente masa, la expansión podría haberse revertido y el universo acabaría colapsando de nuevo, pero en un Big Crunch. El universo no solo se expande, si no que la expansión se está acelerando y el final no sería la muerte térmica sino una especie de desgarramiento del espacio-tiempo llamado "Big Rip".
A la causa de esta aceleración se le ha llamado energía oscura porque no se sabe qué es. Pero lo que se sabe es que el universo se comporta como si en él hubiese más gravedad de la que corresponde a los cuerpos que podemos ver. Nos atraemos y aferramos unos a otros más de lo que corresponde a nuestro atractivo.
Escena: "Manel estás en el psicólogo."
La tercera Ley de la Termodinámica:
Si consiguieras reducir el movimiento interno de un sistema hasta la ausencia de cualquier vibración o movimiento, alcanzarías la temperatura llamada "cero absoluto".
- Cero absoluto: es la temperatura que corresponde a -273 °.
Nos dice que el cero absoluto no puede alcanzarse. Para enfriar un cuerpo hasta el cero absoluto tendríamos que utilizar tanta energía que inevitablemente acabarías calentando aunque solo fuera un poco el cuerpo mismo.
Escena: "Manel va acompañado de Pablo y Eva a la boda de Elena y Lorenzo."
FIN
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