La Entropía de Boltzmann

El  concepto de entropía  fue establecido por  Rudolf  Clausius en la segunda mitad  del  Siglo  XIX, en el limitado contexto de la  termodinámica  clásica. Sin dudas  es la aproximación más conocida y divulgada  del polémico concepto, debido a que ha encontrado un sinnúmero de aplicaciones en el campo de la termodinámica técnica, de la química y en otros campos específicos de la ciencia. Sin embargo, intrínseca en esta formulación esta la dificultad señalada por  W.  Pauli que  reza  asi:

 “Extraño nos parece que en la termodinámica siempre es necesario hacer una  rigurosa diferenciación entre calor y trabajo,  a pesar de que el primer principio habla de su equivalencia. La  mecánica estadística (la basada  entre  otras  cosas  en el concepto  estadistico de  entropía),  no requiere de estos procedimientos  mágicos. Ella explica las peculiares propiedades  termodinámicas por medio del comportamiento microscópico de los sistemas dotados de un gran número de  grados de libertad inimaginablemente grandes”.

 Al mismo problema de la termodinámica clásica se refirio Leon  Brillouin en su Libro  Ciencia, Información e Incertidumbre. En su capítulo I el autor  escribió:

“En la termodinámica  clásica  el concepto de valor parece estar  esencialmente ligado a los conceptos de calor y temperatura. Los físicos no han sido capaces, y quizás no lo sean, de desligar estas entidades”.

 En el caso específico de esta blog, cuyo objetivo fundamental es la interpretación y aplicación de la II  Ley en universos muy alejados del lugar de origen de la termodinámica, tanto los señalamientos de Pauli, como los de Brillouin tienen gran relevancia.

Entropia y II ley de la Termodinámica

 Sin embargo, constituye  un hecho indiscutible, que desde su surgimiento la mecánica estadística, y especialmente  su concepto estadístico de entropía, ha sido patrimonio casi exclusivo de físicos y teóricos en general, que han encontrado en ella solución  a problemas fundamentales y también enjundiosas  aplicaciones. A  esto se  añade  que, desafortunadamente, ha sido tradicional la presentación separada de la termodinámica fenomenológica, es decir, la llamada termodinámica clásica y la  mucho más  potente  como teoría  física,  termodinámica  estadística.

 Aunque resulte increíble, esta  conducta estuvo signada por el hecho de que, surgida en el punto más critico de la controversia de los físicos Mach y Ostwald, de gran influencia entonces en Europa, con Boltzmann, sobre la existencia misma de los átomos, el nuevo enfoque de la termodinámica siempre pendió la duda sobre sus propios fundamentos.

 De este modo, la más ortodoxa formulación clásica de la termodinámica siempre ha resultado privilegiada en relación con la estadística lo que  sin dudas  resulto en perjuicio  de  la  formación  de generaciones  y generaciones  de profesionales  de diversos tipos. Como es conocido en el caso de la  termodinámica estadística, se trata de un enfoque microscópico que depende absolutamente de la elaboración de un modelo físico. Obviamente, dado que ya no existe  duda sobre la existencia misma de los átomos, información que hubiera significado  para  Boltzmann la vida, no se justifica la posición original de preterir la mecánica estadística.

  Dado que el concepto de entropía de  Boltzmann forma parte esencial de este universo, si se quiere alcanzar una comprensión masiva del concepto, es necesario poner especial énfasis en la claridad de la presentación. Una forma de lograr esto, sin dudas lo constituye el proceder de inicio a una formulación del concepto de entropía con un enfoque estadístico, obviando cualquier referencia  a la formulación clásica. Esta última  resulta particularmente inadecuada cuando de enfrentar el reto de  Brillouin de extender  la  termodinámica  más allá  de  su lugar  de origen se trata.

 Por otra parte, a partir de la aparición en pleno  Siglo  XX de la  teoría de la información, especie de extensión de la termodinámica como rama  de la física teórica, el concepto de entropía adquirió una nueva connotación y también un nuevo significado. De hecho adquirió una nueva dimensión, toda vez  que un concepto propio  de la teoría  de la información, la  llamada  entropía  de  Shannon, al margen  de  su  total  semejanza de su  expresión matemática con  la definición de entropía  de Boltzmann, es  una  medida del grado de desinformación  que se tiene sobre  un sistema  y no se relaciona, por tanto, como la entropía  en termodinámica, con el estado del sistema como tal. Esta  sutil diferencia es  muy  importante.

  A  continuación se desarrollan  distintas  aplicaciones del concepto de  entropía  estadística de  Boltzmann con el propósito de mostrar  su  universalidad  y, de este modo, su inestimable  valor. Se  trata de temas diversos, algunos  de ellos sin antecedente  conocido en la literatura  especializada, como la pandemia  del VIH, por  ejemplo. Este  es  solo el comienzo de un esfuerzo   abarcador que incluirá  en un futuro inmediato que abarcara en el caso del VIH, tanto el mecanismo de acción  de  la  adquisición de la  enfermedad como fenómeno de  invasión viral de las  células sanas,  como  su  comportamiento epidemiológico. Este  es  un tema, como se  conoce, altamente  sensible  para  la  humanidad.

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La lógica ilógica del micromundo

La lógica del micromundo incluido el átomo, el núcleo y las partículas elementales que lo constituye, como el neutrón, el protón, los mesones, difiere sustancialmente de la lógica del macromundo; el mundo en que vivimos que ha condicionado todas nuestras perfecciones del mundo circundante. A partir de las representaciones que el ser humano ha desarrollado sobre la base de sus experiencias cotidianas, es muy difícil aceptar la lógica del micromundo, es decir, la lógica de la mecánica cuántica.

La primera cosa que es importante no dejar de repetir es que la capacidad de predicción, como teoría científica, de la mecánica cuántica se basa en consideraciones de naturaleza probabilística.

En realidad, para  comprender el enfoque  microscópico de  Boltzmann, no es necesario estudiar  en detalle la peculiar  composición atómica.

Desafortunadamente, los prejuicios contra el concepto de entropía  estadística han durado demasiado, casí  un  siglo. Hoy  día el concepto tiene, docentemente,  un alcance  limitado, siendo patrimonio casi exclusivo del mundo  de los  físicos  teóricos.

Existen dos formas de percibir  la realidad, la racional y lógica propia  de la ciencia, y la intuitiva, esencialmente  subjetiva, propia  del  arte. En realidad  no es una frontera definida  lo que las divide;  hay mucho de intuición en la  ciencia  y también hay racionalidad  en el reflejo de la realidad  del  artista.

La  obra de  Boltzmann se  ubica en el tipo de reflejo  racional de la realidad, la de  Hawking  en esa  especie de tierra  de  nadie entre lo racional y lo estético, mitad ciencia y mitad  poesía. Ambos  resultaron ser del tipo de ser  humano que, al decir del poeta guatemalteco  Roque  Dalton,  son  los  culpables  de nuestros sueños. La  muestra  plástica  que aquí se ofrece, con su obstinada insistencia  en el agobiante  tema de la  irreversibilidad  de los procesos reales, constituye  un imprescindible homenaje  a estos dos  físicos.

Una  aclaración  necesaria

Este trabajo constituye solo   un paso  más de los esfuerzos realizados  por los autores  para colocar el  llamado  principio  de entropía  de  Boltzmann y el enfoque  mismo del gran científico austriaco sobre  el fenómeno de la irreversibilidad, que es lo mismo que decir sobre los procesos de  degradación de los  sistemas para la vida, en el centro de  la  lucha por la  supervivencia humana.

 De lo que se trata es de intentar  resolver toda  una larga cadena de problemas actuales que en su devenir podrían conducir a un dramático escenario. Se  trata de una forma de enfocar la lucha por evitar catástrofes de todo tipo,  de mitigar  sus  consecuencias  en el caso de que ocurran, y también de enfocar  racionalmente el problema del uso  de la energía en un mundo que cada vez comprende mejor que  los recursos de que dispone son finitos y que ineluctablemente se agotaran en un futuro demasiado cercano.

Cuba, país  donde se pueden encontrar los  antecedentes  de estas ideas, recogidas en la monografista titulada  Termodinámica de los concentradores solares, Editorial Española, resultado  bibliográfico  de un curso de postgrado de carácter  nacional que  acumula casi veinte  años de experiencias docentes y de investigación sobre  fuentes  renovables de energía; debe ser por lógica  y derecho propio .

Una  experiencia  sacada  de  este esfuerzo  docente  es  que el proceso  de  concentración de  la luz  solar  constituye  una  forma  clara y rigurosa, muy original, de ´presentar el concepto de  entropía  de  Boltzmann». Este enfoque debería formar parte de la docencia habitual universitaria y tecnológica.

Más  aun, dada la sencillez  de su formulación matemática del concepto de entropía  de  Boltzmann,  que requiere solo el dominio del concepto de logaritmo y de algunas de sus propiedades  elementales, la empresa resulta en principio perfectamente  factible. La  célebre formula física:

                 S =    k · ln W

la cual, sin tanto impacto como la relativista de  Einstein:  E = mc2, removió los cimientos de la física teórica  a principios  del  siglo XX.

Por otra parte, ya hoy día está claro para todo el mundo que los  recursos  de que  el  hombre  dispone para  vivir  están sometidos hoy día  a  un constante proceso  de extinción y degradación que, por lo general, lamentablemente  se  manifiesta  a  un ritmo  vertiginoso. Se trata  de un proceso constante de aumento de entropía en  el mundo, integralmente considerado, como un sistema, que la supervivencia humana, en peligro,  impone  controlar con premura. Por esta  razón, la  llamada  definición estadística  de entropía, la de  Boltzmann, sin dudas, la forma  más clara de presentar  este  concepto, necesariamente  debe ser  del  conocimiento de todos.

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