Welcome, User!
¿Por qué el café se enfría pero nunca “se autocalienta”? Este bloque desentraña el concepto de entropía \(S\) y su vínculo con la flecha del tiempo: desde la estadística de Boltzmann hasta la expansión cósmica. Incluye la segunda ley en forma diferencial, ejemplos cotidianos, derivaciones paso a paso y datos culturales que muestran cómo el desorden termodinámico guía la evolución de todo, desde tu habitación hasta las estrellas.
Humo que se dispersa, cubos de hielo que se derriten, tu escritorio que no se ordena mágicamente…
Intuición clave: existen muchísimas más configuraciones “desordenadas” que “perfectamente ordenadas”.
La lápida de Ludwig Boltzmann presume:
\[ S = k_B \ln \Omega . \]
Símbolo | Significado | Unidades / valor |
---|---|---|
\(S\) | Entropía | \(J K^{‑1}\) |
\(k_B\) | Constante de Boltzmann | \(1{,}380 649\times10^{‑23}J K^{‑1}\) |
\(\Omega\) | Nº de microestados compatibles con el macroestado | — (adimensional) |
Más microestados \(\Rightarrow\) mayor entropía.
Dato cultural: Boltzmann murió sin ver su idea aceptada; Planck la popularizó al describir la radiación de cuerpo negro. 🎻
Para un proceso espontáneo en un sistema aislado:
\[ \Delta S \ge 0 . \]
No es “prohibido” \(\Delta S < 0\); solo que la probabilidad de tal fluctuación se vuelve astronómicamente baja cuando el sistema tiene muchos grados de libertad.
En un proceso cuasiestático y reversible:
\[ dS = \dfrac{\delta Q_{\text{rev}}}{T}. \]
Símbolo | Significado | Unidades |
---|---|---|
\(\delta Q_{\text{rev}}\) | Calor infinitesimal reversible recibido | J |
\(T\) | Temperatura absoluta | K |
Sistema | \(\Delta S\) típica (\(J K^{‑1}\)) | Comentario breve |
---|---|---|
Cubo de hielo (50 g) → agua (0 °C) | \(+0{,}19\) | La fusión aumenta el nº de microestados. |
Hervir 1 kg de agua | \(+2{,}1\) | El vapor ocupa más volumen (mayor \(\Omega\)). |
Mezclar dos tintas ideales | \(\approx + (\text{orden de } 100 J K^{-1}\)) | Difusión irreversible; \(\Omega\) explota. |
Eficiencia teórica entre dos depósitos a \(T_H\) y \(T_C\):
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 1 - \dfrac{T_C}{T_H}. \]
Cualquier irreversibilidad (\(\Delta S > 0\)) reduce la eficiencia real por debajo de este límite.
Claude Shannon aplicó el término para medir incertidumbre:
\[ H = -\sum_i p_i \log_2 p_i . \]
Analogía profunda: disminuir incertidumbre exige trabajo (energía) y genera \(\Delta S\) en el entorno físico que procesa la información.
La entropía es el metrónomo de la irreversibilidad:
← Conservación de la energía — La ley que todo lo transforma, del molino medieval al LHC.
→ Calor y temperatura — Del equilibrio térmico a la radiación de Hawking.