Pocos Entienden Esto de la Física Moderna...

el vídeo de hoy trata de uno de los conceptos más importantes y sin embargo menos comprendidos de toda la física lo rige todo desde las colisiones moleculares hasta tormentas inmensas desde el inicio del universo pasando por toda su evolución hasta su Inevitable final de hecho puede determinar la dirección del tiempo e incluso hacer la razón de que haya vida para comprobar la confusión acerca de este tema solo hay que hacer una simple pregunta qué obtiene la tierra del sol que obtiene la tierra del sol yo creo Rayos de Luz qué obtenemos calor calor vitamina D tenemos vitamina D vitamina D de Los Rayos UV bueno mucha energía que tiene la tierra de la energía sí energía energía Exacto todos los días la tierra recibe cierta cantidad de energía del sol entonces Cuánta energía regresa a la Tierra al espacio con relación a la cantidad que obtiene del sol Quizá no demasiada No creo que solo la irradiamos de vuelta creo que menos menos yo creo que menos Supongo que un 70% es una fracción yo digo que un 20% porque usamos parte de ella usamos parte de la energía consumimos mucha No pero lo que pasa con la energía es que nunca desaparece no se puede agotar Tendría que haber equilibrio no soy la misma cantidad ya sabes Causa y efecto sería en cierto modo Igual no en casi toda la historia de la tierra la cantidad de energía que entra del Sol y la que la Tierra irradia al espacio Debería ser Exactamente igual Wow porque si no fuera así entonces la tierra se calentaría mucho más y sería un problema Sería un gran problema Entonces si esto es así sé qué es lo que obtenemos realmente del sol buena pregunta nos da un buen bronceado nos da un buen bronceado me encanta obtenemos algo especial del Sol no sé que obtenemos energía pero nadie habla de eso para responder eso debemos remontarnos a un descubrimiento hecho hace dos siglos durante el invierno de 1813 los ejércitos de Austria prusia y Rusia estaban invadiendo Francia el hijo de uno de los generales de Napoleón era sadie carnot un estudiante de 17 años el 29 de diciembre él escribió una carta a Napoleón diciéndole que quería unirse a la lucha Napoleón preocupado por la batalla no respondió pero a carnot se le cumplió su deseo unos meses después cuando París fue atacado los estudiantes defendieron un castillo al este de la ciudad pero no eran rival para los ejércitos que avanzaban y París cayó después de Solo un día de lucha obligado a retirarse carnot estaba devastado siete años después fue a visitar a su padre quien había huido a prusia después de la derrota de Napoleón su padre no solo era general también era físico escribió un ensayo acerca de cómo la energía se transfiere más eficientemente en sistemas mecánicos durante la visita de su hijo hablaron largamente sobre el gran avance del momento las máquinas de vapor las máquinas de vapor ya se usaban para impulsar barcos extraer minerales y tragar puertos y era evidente que el poderío industrial y militar de las Naciones dependía de tener las mejores máquinas de vapor pero los diseños franceses iban a la saga de los otros países como Gran Bretaña y sadie carnot se dio a la tarea de averiguar por qué en ese entonces aún las mejores máquinas de vapor solo convertían alrededor del 3% de energía térmica en trabajo mecánico útil Si pudiera mejorar eso le podría dar a Francia una ventaja enorme y restaurar su lugar en el mundo Así que pasó los siguientes tres años estudiando motores térmicos y una de sus ideas claves Es cómo funcionaría un motor térmico ideal sin fricción ni pérdidas hacia el ambiente se ve algo así tomen dos barras de metal muy grandes una caliente y otra fría el motor se compone de una cámara llena de aire a la cual el calor solo puede entrar o salir por la parte inferior dentro de la cámara hay un pistón que está conectado a un volante de Inercia el aire inicia a una temperatura justo por debajo de la de la barra caliente primero la barra caliente entre en contacto con la cámara el aire del interior se expande con el calor que entra para mantener su temperatura esto empuja el pistón hacia arriba y hace girar el volante luego se retira la barra Caliente pero el aire en la cámara sigue expandiéndose pero ahora que ya no entra calor la temperatura desciende idealmente hasta alcanzar la temperatura de la barra fría y la barra fría entonces entra en contacto con la cámara y el volante empuje el pistón hacia abajo y a medida que se comprime el aire el calor se transfiere a la barra fría al retirar la barra fría el volante comprime el aire aún más aumentando su temperatura justo por debajo de la de la barra caliente a continuación la barra caliente vuelve a hacer contacto y el ciclo se repite Durante este proceso el calor de la barra caliente se convierte en la energía del volante de Inercia y lo interesante del motor ideal de carnot es que es totalmente reversible Si haces funcionar el motor a la inversa primero el aire se va a expandir bajando su temperatura luego la cámara entrará en contacto con la barra fría el aire se expandirá más tomando el calor de la barra fría después el aire se comprimirá aumentando su temperatura la barra fría se colocará debajo de la cámara y la energía del volante se usará para devolver el calor a la barra caliente independientemente de Cuántos ciclos se ejecuten hacia adelante se puede ejecutar el mismo número a la inversa y al final todo va a volver a su estado original sin necesidad de un aporte adicional de energía por lo tanto en un motor ideal nada cambia realmente siempre se puede deshacer lo que se hizo Entonces cuál es la eficiencia de este motor ya que es totalmente reversible se podría esperar que la eficiencia fuera del 100% Pero ese no es el caso en cada ciclo la energía del volante aumenta por la cantidad de calor que entra a la cámara proveniente de la barra caliente menos el calor que sale de la cámara hacia la barra fría y para calcular la eficiencia dividimos esta energía entre el aporte de calor de la barra caliente ahora el calor que entra en el lado caliente es igual al trabajo realizado por el gas sobre el pistón y este siempre va a ser mayor que el trabajo realizado por el pistón sobre el gas en el lado frío que equivale Al Calor que sale la razón de esto es que en el lado caliente el gas caliente ejerce una presión mayor en el pistón que el mismo gas cuando está frío para aumentar la eficiencia del motor se podría aumentar la temperatura del lado caliente o disminuir la temperatura del frío o ambas cosas lord Kelvin se enteró del motor ideal de carnot y se dio cuenta que podría ser la base de una escala de temperatura absoluta supongamos que el gas se expande a tal extremo que se enfría al punto de que todas sus partículas dejan de moverse Entonces no ejercerían ninguna presión sobre el pistón y no costaría ningún trabajo comprimirlo en el lado frío y no Se perdería calor Este es el concepto de cero absoluto y esto daría lugar a un motor 100% eficiente usando esta escala de temperatura absoluta la escala Kelvin podemos reemplazar la cantidad de calor entrante y saliente con las temperaturas de los lados frío y caliente respectivamente porque son directamente proporcionales Así que podemos expresar la eficiencia de esta forma que se puede reescribir así lo que hemos aprendido es que la eficiencia de un motor térmico ideal no depende de los materiales ni del diseño del motor sino fundamentalmente de las temperaturas de los lados calientes y frío para alcanzar una eficiencia del 100% se necesitaría una temperatura infinita en el lado caliente o el cero absoluto en el lado frío dos condiciones imposibles en la práctica Así que incluso sin fricción y pérdidas hacia el ambiente es imposible hacer que un motor térmico sea 100% eficiente Y es que para regresar el pistón a su posición original se necesita transferir calor a la barra fría por lo que no toda la energía se queda en el volante en la época de carnot las máquinas de vapor de alta presión solo podían alcanzar temperaturas de hasta 160 grados centígrados por lo que su eficiencia máxima teórica era del 32% pero su eficiencia real era más bien del 3%. Esto se debe a que los motores reales experimentan fricción disipan calor al medio ambiente y no transfieren calor a temperaturas constantes por lo tanto para la misma cantidad de calor que entra menos energía termina en el volante de Inercia el resto se dispersa por las paredes del cilindro el eje del volante y se irradia al ambiente cuando la energía se dispersa Así es imposible recuperarla Así que este proceso es Irreversible La cantidad total de energía no cambió pero se volvió menos utilizable la energía se vuelve más útil cuando está concentrada y menos útil cuando está dispersa décadas más tarde el físico alemán rudolf clausius estudió el motor de carnot y elaboró una forma de medir qué tan dispersa está la energía a esta cantidad la llamó entropía [Música] Cuando toda la energía se concentra en la barra caliente la entropía es baja Pero a medida que la energía se dispersa alrededor en las paredes de la cámara y el eje bueno la entropía aumenta esto significa que la misma cantidad de energía está presente pero en esta forma más dispersa está menos disponible para realizar trabajo en 1865 clausius resume así las dos primeras leyes de la termodinámica la primera es que la energía del universo es constante y la segunda la entropía del universo tiende a un máximo En otras palabras la energía se dispersa a lo largo del tiempo [Música] la segunda ley es central para muchos fenómenos del mundo porque las cosas calientes se enfrían y las frías se calientan porque el gas se expande para llenar un recipiente Por qué no se puede tener una máquina de movimiento perpetua es porque la cantidad de energía utilizable en un sistema cerrado Está siempre disminuyendo la forma más común de describir la entropía es como desorden y tiene sentido porque se asocia a cosas cada vez más mezcladas aleatorias y menos ordenadas pero creo que la mejor manera de pensar en la entropía es como la tendencia de la energía a dispersarse Pero por qué se dispersa la energía con el tiempo es decir la mayoría de las leyes de la física funcionan Exactamente igual hacia adelante o hacia atrás en el tiempo entonces cómo surge esta Clara dependencia temporal consideremos dos pequeñas barras de metal una caliente y otra fría para este modelo sencillo consideraremos solo 8 átomos por barra cada átomo vibra en función del número de paquetes de energía que posee Cuantos más paquetes más vibra empecemos con siete paquetes de energía en la barra izquierda y tres en la derecha el número de paquetes de energía en cada barra es lo que llamaremos un estado primero consideremos solo la barra izquierda tiene siete paquetes de energía que pueden moverse libremente por la retícula esto ocurre sin parar los paquetes de energía saltan aleatoriamente de un átomo a otro creando diferentes configuraciones de energía pero la energía total permanece igual todo el tiempo ahora traigamos la barra fría de nuevo con solo tres paquetes y pongamos las juntas ahora los paquetes de energía pueden saltar entre ambas barras creando diferentes configuraciones cada configuración única es Igualmente probable Entonces qué ocurre si tomamos una foto en un instante de tiempo y vemos en dónde están todos los paquetes de energía y alto miren esto Ahora hay nueve paquetes de energía en la barra izquierda y solo uno en la derecha el calor ha pasado de la fría a la caliente no Debería ser imposible porque disminuye la entropía Pues bien aquí es donde ludbick boltzman hizo un importante descubrimiento que el calor fluye de la fría a la caliente no es imposible sólo es improbable hay 91. 520 configuraciones con 9 paquetes de energía en la barra izquierda pero 627.

264,5 paquetes de energía en cada barra es decir hay seis veces más probabilidades de que la energía se distribuya uniformemente entre las barras pero si se suman todas las posibilidades se puede ver que hay un 10. 5% de posibilidad de que la barra de la izquierda acabe con más paquetes de energía de los que tenía al principio Entonces por qué no observamos que esto ocurre a nuestro alrededor vemos Qué pasa cuando aumentamos el número de átomos a 80 por barra y los paquetes de energía a 100 con 70 en la barra izquierda y 30 en la derecha Ahora solo hay un 0. 05% de posibilidades de que el sólido de la izquierda termine más caliente que al comienzo y esta tendencia continúa a medida que seguimos ampliando el sistema en los sólidos cotidianos hay unos 100 cuatrillones de átomos y aún más paquetes de energía por tanto que el calor fluya de frío a caliente es tan improbable que nunca ocurre piénselo como este cubo de Rubik ahora está completamente resuelto pero voy a cerrar los ojos y hacer algunos giros al azar si sigo haciendo esto cada vez estaré más lejos de resolverlo Pero cómo puedo estar seguro de que realmente lo estoy desordenando Pues porque solo hay una forma de resolverlo unas cuantas de casi resolverlo y quintillones de formas de que sea casi totalmente aleatorio sin pensarlo ni esforzarse cada vuelta hace que el cubo Rubik pase de un estado muy improbable el de estar resuelto a un estado más probable un completo desastre Entonces si la tendencia natural de la energía es dispersarse y que todo sea más desordenado cómo es posible tener algo como el aire acondicionado donde el interior frío de una casa se enfría y el exterior caliente se calienta más [Música] la energía va del frío Al Calor disminuyendo la entropía de la casa Pues bien esta disminución de entropía solo es posible aumentando la entropía muchísimo más en otro lugar en este caso en una central eléctrica la energía química concentrada y el carbón se liberan calentando la central y su entorno propagándose a la turbina los generadores eléctricos calentando los cables hasta la casa y produciendo calor residual en los ventiladores y el compresor cualquier disminución de entropía que se consigue en la casa se compensa con el aumento de entropía necesario para que eso ocurra pero si la entropía total aumenta constantemente y cualquier cosa que hagamos solo acelera ese aumento Entonces cómo es que queda alguna estructura en la tierra Cómo se separan las partes calientes de las frías Cómo es que existe la vida Bueno si la tierra fuera un sistema cerrado la energía se dispersaría completamente lo que significaría que todavía cesaría todo se descompondría y mezclaría y finalmente alcanzaría la misma temperatura pero por suerte la tierra no es un sistema cerrado porque tenemos al sol [Música] lo que realmente nos da el sol es un flujo constante de baja entropía que es energía concentrada y empacada la energía que obtenemos del sol es más útil que la que devolvemos es más compacta está más agrupada las plantas captan esta energía y la utilizan para crecer y crear azúcares luego los animales como en plantas y utilizan esa energía para mantener su cuerpo y desplazarse los animales más grandes obtienen su energía comiéndose a los más pequeños Y así sucesivamente quien cada uno de estos pasos la energía se dispersa más es interesante Sí no lo sabía Ahí está básicamente toda la energía que llega a la Tierra desde el sol se convierte en energía térmica y luego se irradia al espacio pero de hecho es la misma cantidad sé que sabes esto porque tengo un doctorado en física el aumento de entropía puede observarse en el número relativo de fotones que llegan y salen de la tierra por cada fotón que llega del sol se emiten 20 fotones y todo lo que ocurre en la tierra el crecimiento de las plantas la caída de los árboles la estampida de los rebaños los huracanes y tornados la gente comiendo durmiendo y respirando todo ello ocurre en el proceso de convertir pocos fotones de mayor energía en 20 veces más fotones de menor energía sin una fuente de energía concentrada y una forma de desechar la energía dispersa la vida en la tierra no Sería posible Incluso se ha sugerido que la propia vida puede ser una consecuencia de la Segunda ley de la termodinámica si el universo tiende hacia la máxima entropía entonces la vida ofrece una forma de acelerar esa tendencia natural porque la vida es espectacularmente buena convirtiendo la baja entropía en alta entropía por ejemplo la capa superficial del agua de mar produce entre un 30 y un 680 por ciento Más entropía cuando hay cianobacterias y otras materias orgánicas que cuando no las hay Jeremy england va un paso más allá ha propuesto que si hay un flujo constante de energía aglomerada esto podría favorecer a las estructuras que disipan esa energía y con el tiempo esto se traduce en disipadores de energía cada vez mejores lo que a la larga se traduce en vida o en sus propias palabras empiezas con un grupo aleatorio de átomos y si lo pones a luz el tiempo suficiente no debería sorprenderte que obtengas una planta Así que la vida en la tierra sobrevive gracias a la baja entropía del sol pero Entonces de dónde sacó el sol su baja entropía la respuesta es el universo si sabemos que la entropía total del universo aumenta con el tiempo entonces ayer había menos entropía Y todavía menos anteayer Y así sucesivamente hasta el Big Bang Así que justo después del Big Bang es cuando la entropía era más baja esto se conoce como la hipótesis del pasado no explica por qué la entropía era baja Solo que debió ser así para que el Universo se desarrollara como lo ha hecho pero el universo primitivo era caliente denso y casi completamente uniforme es decir todo estaba mezclado y la temperatura era básicamente la misma en todas partes variando como mucho un 0.

001%. Entonces por qué esto es baja entropía Bueno lo que hemos omitido es la gravedad la gravedad tiende a agrupar la materia Así que tomando en cuenta la gravedad tener la materia esparcida de esta manera sería un estado extremadamente improbable y es por eso que es baja entropía con el tiempo a medida que el Universo se expandía y enfriaba la materia empezó a aglomerarse en regiones más densas Y al hacerlo enormes cantidades de energía potencial se convirtieron en energía cinética y esta energía también podría utilizarse igual que el agua que fluye cuesta abajo puede alimentar una turbina pero cuando los Trozos de materia empezaron a chocar entre sí parte de su energía cinética se convirtió en calor por lo que la cantidad de energía útil disminuyó aumentando así la entropía con el tiempo la energía útil se usó y así se formaron estrellas planetas galaxias y vida aumentando la entropía en el proceso el universo comenzó con alrededor de 10 a la 88 veces el valor de la constante de voltsman de entropía actualmente todas las Estrellas del universo observable tienen alrededor de 9.