No obligues a tus hijos a ordenar su cuarto, no merece la pena

Lo malo de estar en un Universo regido por Leyes, es que nos guste o no, se tienen que cumplir. Se puede intentar luchar con ellas, pero si son Leyes Universales la batalla está perdida.  Como la batalla de intentar que tus hijos ordenen su cuarto.

El cuarto de los niños, los propios niños, y el Universo en general está regido por la entropía. Esta misteriosa magnitud , también conocida vulgarmente como "desorden" es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía de cualquier objeto que no puede utilizarse para producir trabajo. La energía inútil, vamos. Como sabéis todos los que tenéis hijos pequeños, este tipo de energía "inútil" es muy elevada para nuestras amadas criaturitas, y necesita ser "quemada" antes de acostarse, para asegurar un descanso plácido (de los padres).

Para entender un poco más a la poderosa entropía, podemos realizarnos preguntas como: "¿Por qué ocurren los sucesos en la Naturaleza de una manera determinada y no de otra manera?". Buscamos una respuesta que indique cuál es el sentido de los sucesos. Por ejemplo, si se ponen en contacto dos trozos de metal con distinta temperatura, se anticipa que finalmente el trozo caliente se enfriará, y el trozo frío se calentará, finalizando en equilibrio térmico. El proceso inverso, el calentamiento del trozo caliente y el enfriamiento del trozo frío es muy improbable que se presente, a pesar de conservar la energía. 

Otro ejemplo doméstico sería el de lanzar un vaso de cristal al suelo: tenderá a romperse ya esparcirse, mientras que jamás conseguiremos que, lanzando trozos de cristal, se construya un vaso por sí solo. Estos sencillos ejemplos muestran procesos en los que ha aumentado la entropía.

La entropía puede también aplicarse a conceptos como el de la energía. El Primer Principio de la Termodinámica, el más conocido, dice que “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”.

De esa capacidad de transformación de la energía es de donde proviene el concepto de trabajo, que no es más que el aprovechamiento de un aumento de entropía. La energía sólo puede ser convertida en trabajo cuando, dentro del sistema en concreto, la concentración de energía no es uniforme.

Veamos otro ejemplo. Tenemos un embalse de agua situado a una gran altitud. Como la concentración de energía es uniforme, la entropía es máxima. Ahora, abrimos las compuertas de la presa de ese embalse de agua y al hacerlo cambiamos el sistema de referencia, al variar la distribución del agua a ambos lados de la compuerta. El agua fluye entonces con una gran energía gravitatoria y realiza un trabajo al hacer girar una turbina que convertirá esa energía gravitatoria en eléctrica.

Sigamos con la apasionante termodinámica. La tercera ley afirma que "No se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas". 

Introduce el apasionante concepto del cero absoluto, y por qué no se pueden enfriar cosas a 300 grados (Celsius) bajo cero.  Pero eso lo dejo para otro día.

Para lo que nos atañe hoy, puede decirse que al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo. El desorden de ese objeto sería mínimo.  Si ese objeto fuera la habitación de nuestros hijos, se alcanzaría el sueño de toda madre: una habitación perfectamente ordenada. Aunque, como se puede deducir fácilmente, llegar a ese estado no sólo es imposible, sino que quedaría una habitación un poco "fría".

Pero lo jodido de la Termodinámica viene con el Segundo Principio, que afirma que "la cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo. El universo tiende a distribuir la energía uniformemente; es decir, a maximizar la entropía."

Para entender este principio, y resignarnos a lo evidente, partamos pues de la base de que todas las habitaciones infantiles deben tener cierto desorden. Por otro lado, la entropía global de un sistema es la entropía del sistema considerado más la entropía de los alrededores. 

Si consideramos que ordenar la habitación se trata de un proceso reversible, la variación de entropía del sistema es cero: el orden generado es igual al trabajo realizado. Pero esto sería en una situación ideal, ya que en la realidad el trabajo es en la vida real siempre mayor del estrictamente necesario, ya que hay multitud de pérdidas de energía en cosas que no son estrictamente generar más orden en el sistema.  Mientras los niños ordenan la habitación se despistan, sacan otras cosas, juegan un poco antes de meter cada cosa en su sitio, etc.

Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre aumentará la entropía global. Así como "la energía no puede crearse ni destruirse", la entropía puede crearse pero no destruirse.

Podemos decir entonces que "como el Universo es un sistema aislado, su entropía crece constantemente con el tiempo". Esto marca un sentido a la evolución del mundo físico, que llamamos principio de evolución. Cuando la entropía sea máxima en el Universo, esto es, exista un equilibrio entre todas las temperaturas y presiones, llegará la muerte térmica del Universo. El desorden total, no sólo de la habitación de los niños, sino de todo lo que la rodea.  Y no podemos hacer NADA para evitarlo.  Resignémonos, y dejemos de reñir a nuestros hijos por tener la habitación desordenada.  No es culpa suya. No pueden saltarse el Segundo Principio de la Termodinámica.

P.D: tranquilos, queridos padres, como os habréis imaginado ya, a una conclusión como ésta sólo puede llegarse haciendo unas tremendas simplificaciones, al estilo de "la vaca esférica"

En este caso hemos simplificado el Universo completo, como la habitación de nuestros hijos. Considerar la habitación, o como mucho la casa completa, como un sistema aislado, es tan falso como que una vaca es una esfera, pero puede ayudarnos a comprender conceptos tan difíciles de entender como la entropía, la irreversibilidad, o el cero absoluto. Y puede ayudarnos a comprender por qué es tan difícil conseguir que nuestros hijos ordenen su habitación. 

Los INDIGNADOS, según la TERMODINÁMICA

-->Hace poco hablé de los indignados desde un punto de vista periodístico -->.  A una de mis conclusiones (que es imprescindible que se organicen, que hagan propuestas concretas) se puede llegar también desde el punto de vista de la ciencia.  Más concretamente desde la termodinámica:

Una molécula -persona- se puede aumentar su velocidad -indignarse- por muchos motivos. Quizás se le ha activado con algún suministro potente de energía electromagnética, -informaciones de la radio, televisión, Twitter- o porque ha recibido directamente sacudidas mecánicas, -despido-

Es habitual que haya algunas moléculas indignadas medio de un gran conjunto de moléculas no indignadas. Se limitan a interaccionar con las demás, sin más efecto. En cada colectivo hay toda una gama de moléculas con diferentes grados de indignación. La indignación de un conjunto de moléculas se mide con un parámetro denominado temperatura. Una temperatura baja significa poca indignación en promedio, lo que no quiere decir que no pueda haber algunas moléculas indignadísimas. Pero cuando la indignación va aumentando en promedio, sea porque todas las moléculas se indignan un poco más de lo que estaban, sea porque un número suficiente de moléculas indignan mucho, la temperatura global aumenta paulatinamente, y se pueden dar fenómenos diversos.

Una elevada temperatura en una población de moléculas indica que en conjunto tienen una notable cantidad de energía.  Esta energía se puede aprovechar para producir un trabajo. Por ejemplo, todas las moléculas se pueden poner a empujar una puerta, y la pueden derribar. O pueden diseñar un sistema mecánico en que empujando un pistón a intervalos regulares se genere un movimiento de rotación que genere energía eléctrica, o movimiento de una máquina. Que genere trabajo, en una palabra. Sólo se puede aprovechar una fracción -un treinta por ciento, pongamos- de la energía en forma de trabajo, pero tampoco está tan mal.

Pero si las moléculas no se ponen de acuerdo para empujar todas la misma puerta, o no hay nadie con el ingenio para diseñar y construir el sistema de pistón y eje de rotación, la energía se puede perder completamente. La energía acumulada se irá cediendo más o menos lentamente en el entorno, sólo calentándolo un poco, y al final toda la energía se disipará sin más efecto que un poco más de calentamiento global. Es decir, que el 100% de la energía se pierda en forma de calor. Sólo desorden y entropía.

¿Es necesario seguir con la analogía?

La anterior metáfora ha sido extraída del blog del Doctor de la UB Claudi Mans, que realiza una magnífica tarea de divulgación científica, aunque lamentablemente sólo en catalán (N. del T.)

Un diamante es para (casi) siempre, pero no es tan fácil de fabricar

Al parecer, la palabra diamante proviene del vocablo griego adamas, que significa invencible.  El mismo origen presenta el término adamantium, aleación que integra el esqueleto de Lobezno, unos de los mutantes miembros de X-men.

El peso de un diamante se mide en quilates.  Un quilate equivale a la quinta parte de un gramo, es decir 200 miligramos.  El segundo mayor diamante tallado que existe en la actualidad es la “Estrella de África” que, con algo más de 530 quilates, fue obtenido a partir de otro aún más grande (esta vez en bruto) llamado “Cullinan”, extraído en 1905 en una mina de Sudáfrica y cuyo peso ascendió a nada menos que 3106 quilates.  En la actualidad forma parte de las joyas de la Corona británica.  Sólo es superado por el “Golden Jubile”, con casi 546 quilates y propiedad del rey de Tailandia desde 1966.

La alotropía es aquella propiedad de los elementos químicos que hace posible que éstos se presenten bajo estructuras moleculares diferentes, o con características físicas distintas.  Sus diversas estructuras moleculares deben presentarse en el mismo estado físico (sólido, líquido o gaseoso, por ejemplo).  Actualmente se conocen cinco formas alotrópicas del carbono: grafito, diamante, fulerenos, nanotubos y nanoespumas.  Me centraré en las dos primeras por tratarse de las más comunes en la naturaleza.  Resulta que el grafito es la que, con mucho, más abunda, mientras que el diamante brilla por su ausencia y constituye una de las joyas de más valor, precisamente por su escasez y su dificultad de extracción en las minas.  En el grafito, cada átomo de carbono se encuentra unido a otros tres formando hexágonos de estructura laminar estando, al mismo tiempo estas láminas unidas entres sí mediante fuerzas de Van der Waals relativamente débiles.  Ésta es la razón por la que es posible escribir fácilmente con un lápiz.  En cambio, en el diamante, cada átomo de carbono se une a otros cuatro formando una estructura tridimensional muy resistente, que es la que le dota de esa dureza capaz de rayar a casi todos los materiales, por lo que es muy utilizado para recubrir muchos tipos de herramientas.  Además, los átomos de carbono en el diamante se encuentran en lo que se conoce como estructura metaestable (esto es un estado débilmente estable), que puede mantenerse durante miles de años (de ahí la célebre frase “un diamante es para siempre”, aunque la palabra “siempre” es un tanto exagerada)

¿Por qué, en condiciones normales, encontramos mucho más fácilmente el grafito que el diamante? Aquí tiene algo que decir la termodinámica, esa rama de la física que nos permite afirmar si un proceso se puede dar en la naturaleza de forma espontánea o, por el contrario, hay que proporcionarle energía para que se produzca.  Una de las funciones termodinámicas que permite hacer esto es la denominada energía libre de Gibbs.  Cuando se evalúa esta función para las dos fases (diamante y grafito) y se restan ambos valores (esta diferencia se conoce con el nombre de “delta G”), el signo negativo nos indica si la transformación de una fase en la otra es un proceso termodinámicamente favorecido y, por tanto, puede darse de forma espontánea.  En el caso que nos ocupa, la delta G muestra una clara dependencia tanto de la presión como de la temperatura y, desafortunadamente, resulta que tiene signo positivo. ¡Nuestro gozo en un pozo! Las puntas de nuestros lápices nunca se transformarán espontáneamente en diamantes.  Por el contrario, el diamante acabará trocándose en grafito si se deja transcurrir el tiempo suficiente.  Aunque ya podéis tranquilizar a vuestras parejas, pues a lo largo de toda su vida el diamante que les habéis regalado se mantendrá con todo su esplendor inicial.

¿Cuál debería ser, entonces, la presión necesaria para que la estructura cristalina del diamante fuese más estable que la del grafito a temperatura ambiente? Pues bien, si se realiza el cálculo de delta G asumiendo una temperatura de unos agradables 20ºC, se obtiene que su signo será negativo siempre y cuando la presión supere las 15.000 atmósferas.

Han sido documentadas numerosas declaraciones de personas o empresas que han afirmado haber creado un diamante de forma artificial, entre 1879 y 1928; cada intento ha sido analizado cuidadosamente y ninguno ha sido confirmado. En 1940, empezó una investigación sistemática en los Estados Unidos, Suecia, y la Unión Soviética, para crear diamantes usando los procesos de deposición química de vapor y de alta presión y alta temperatura. La primera síntesis reproducible fue reportada alrededor de 1953. Los dos procesos que dominan hoy en día la producción de diamantes sintéticos son la síntesis HPHT (de alta presión y alta temperatura, del inglés: high-pressure high-temperature) y la síntesis CVD, o de deposición química de vapor (en inglés: chemical vapor deposition).  Un tercer método, conocido como síntesis de detonación, ha ingresado al mercado del diamante a finales de la década de 1990. En este proceso, son creados granos de diamante de tamaño en la escala nanométrica, mediante la detonación de explosivos que contienen carbono. Ha sido demostrado un cuarto método en el laboratorio: tratar grafito con ultrasónica de alta potencia, pero no tiene aún aplicaciones comerciales.
Las propiedades del diamante sintético dependen de los detalles de los procesos de manufactura, y pueden ser inferiores o superiores a las de los diamantes naturales: la dureza, conductividad térmica y movilidad electrónica son superiores en algunos diamantes sintéticos (tanto HPHT o CVD). Consecuentemente, los diamantes sintéticos son ampliamente usados en abrasivos, cortado y herramientas de pulido, y en disipadores térmicos. Debido a su combinación única de estabilidad térmica y química, baja expansión térmica, y alta transparencia óptica en un rango espectral amplio, los diamantes sintéticos están convirtiéndose en el material más popular para la fabricación de ventanas ópticas en láser de CO₂ de alta potencia, y girotrones.
Tanto los diamantes CVD y HPHT pueden ser cortados en gemas y pueden ser producidos varios colores: blanco claro, amarillo, marrón, azul, verde y anaranjado. La apariencia de las gemas sintéticas en el mercado ha creado preocupaciones importantes en el negocio de comercialización de diamantes, como resultado del cual se han desarrollado técnicas y dispositivos espectroscópicos para distinguir entre diamantes sintéticos y naturales.En abril de 2007 la revista Science daba a conocer los resultados obtenidos por un grupo de investigadores de la Universidad de California, consistentes en la síntesis de un compuesto, el diboruro de renio, el cual presentaba unas propiedades de dureza semejantes a las del diamante, pero con la gran ventaja de poder ser fabricado a presiones normales, abaratando considerablemente el coste de producción de estos “diamantes” artificiales.  
En la actualidad existe un número considerable de compañías que se dedican a producir de forma industrial diamantes artificiales.  De todas ellas quizás las más sorprendentes sean LifeGem o Algordanza.  En 2002 la primera, y en 2004 la segunda, anunciaron que estaban en condiciones de producir los diamantes sintéticos a partir de los restos incinerados de cadáveres.  ¡Bonito final para nuestros seres queridos!

A estas alturas os estaréis preguntando a qué viene todo este culebrón sobre el carbón, el grafito y el diamante, y qué tiene que ver con el cine de ciencia ficción.  Pues la verdad es que casi nada; tan sólo es una mera disculpa para que vosotros mismos juzguéis la hazaña de Superman, quien, en la tercera entrega, Superman III (1983), protagonizada por Christopher Reeve, tras aterrizar suavemente en un yacimiento de carbón, recoge del suelo un puñado de negro carbón y, presionando fuertemente entre las palmas de sus manos, consigue sintetizar un estupendo y enorme pedrusco del preciado cristal transparente que todas las mujeres desean.  Aunque no quiero discutir en absoluto la superfuerza de nuestro hombre de acero, sí que me gustaría señalar que la piedra sale de sus manos nada menos que tallada con un gusto tan exquisito que ni los joyeros de Tiffany’s.

¡Qué manos tienes, Superman!

Nota: el texto anterior ha sido extraído de forma casi literal del magnífico libro LA GUERRA DE DOS MUNDOS, del profesor de la Universidad de Oviedo Sergio L. Palacios.  Un magnífico ejemplo de que se puede enseñar física, y hacer divulgación científica, de una forma muy amena o incluso divertida.  Muy recomendable. 

Estoy deseando comprarme su secuela EINSTEIN vs PREDATOR.