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Mar 07 2016

Energía y entropía desde el Sol

Entropia

Es común pensar, que la vida en la Tierra es gracias a la energía que recibimos del Sol. Sin embargo, esto no es del todo cierto: la energía que recibe la Tierra es aproximadamente la misma que radia al espacio. En caso contrario la Tierra se calentaría hasta que alcanzase un equilibrio térmico, el cual no sería compatible con la vida tal y como
la conocemos. El verdadero “motor” de la vida es la llamada entropía.

La entropía es una magnitud física cuya formulación fue realizada por Lord Kelvin en 1851 y que está ligada a la termodinámica. La entropía, que básicamente expresa el grado de orden de un sistema, mediante el denominado segundo principio termodinámico establece que en cualquier proceso termodinámico, la entropía de un conjunto de sistemas que interaccionan aumentará o se mantendrá constante: nunca se reducirá. Según la formulación debida a Boltzmann:
       S = k ln(V)
se establece que el valor de la entropía (S) equivale a multiplicar la constante de Boltzmann por el logaritmo del volumen del espacio de fases. Sea el grado de libertad los números cuánticos necesarios para determinar completamente un microestado en un sistema, se define el espacio de fases como un espacio multidimensional en el cual a cada punto le corresponde un microestado del sistema. Si existen f grados de libertad, entonces habrá 2f dimensiones, correpondientes a f coordenadas de posición y f coordenadas de momento. 
Usando un ejemplo típico, un huevo encima de la mesa es un estado extraordinariamente ordenado, y por tanto de muy baja entropía. Supongamos que el travieso gato Johnsy se sube a la mesa, mueve el huevo, éste cae al suelo y se rompe, pasa a un estado muy desordenado, y por tanto de mayor entropía. El proceso inverso, es irreversible, pues es una situación altamente improbable que además viola el segundo principio de la termodinámica, al ser un proceso que evoluciona de una entropía superior a otra menor. La vida es un sistema extremadamente organizado y por tanto de una entropía muy baja. Ahora la pregunta es como es posible dicha situación, pues debe haber evolucionado desde estados de entropía aún menor (y por tanto más organizados aún). Así la vida, debe respetar dos principios: el de conservación de la energía y el segundo principio de la termodinámica.
La fuente que buscamos de entropía es realmente nuestro Sol. Lo que permite la existencia de la vida es que el Sol es más caliente que el espacio oscuro. Recibimos fotones de una frecuencia mayor a los fotones que la Tierra devuelve al espacio. Los fotones que recibimos, al ser de mayor frecuencia, tienen
más energía (Según la formulación de Planck: E=hf). Esto provoca que para emitir al espacio la misma energía que recibimos necesitamos emitir al espacio más fotones que los que recibimos. La consecuencia de esto, como explicamos al comienzo, existen más grados de libertad en el sistema, y por lo tanto el volumen del espacio de fases será mayor que el correspondiente a la energía que recibimos. Evidentemente al tener un volumen del espacio de fases mayor, de acuerdo con la formulación de Boltzmann, la entropía es muy superior en la energía que radiamos al espacio que la que recibimos del Sol.

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