La paradoja del desorden: Cómo la entropía genera orden

Si nos mantuvimos atentos en las clases de física y química del instituto, es muy posible que recordemos las leyes de la termodinámica. Concretamente, en este artículo me gustaría que recordases la segunda ley. Existen muchas acepciones y definiciones sobre esta ley, pero una de las más aceptadas es la proporcionada por Clausius, quien afirmó que ningún proceso es posible, si su único resultado se basa en la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente. Esto se puede interpretar en base a una función, la entropía, una medida de la distribución de la energía de un sistema. Para especificar, este segundo principio basado en la entropía diría algo así como “en el universo la entropía siempre tiende a aumentar, nunca a disminuir”, lo cual también se puede interpretar como que cualquier sistema siempre evolucionará hacia los estados de mayor desorden o aleatoriedad. Por lo tanto, la producción entrópica de un sistema siempre será nula o positiva, originando lo que se conoce como procesos irreversibles; pero, ¿qué es la irreversibilidad?

Para poder entender esta pregunta vamos a imaginarnos una situación que nos aclare los términos de entropía y desorden. Supongamos una situación en la que tenemos dos cajas comunicadas entre sí, si introducimos un mezcla gaseosa de hidrógeno y nitrógeno, estos, mostrarán una distribución de concentraciones homogénea entre las dos cajas. Sin embargo, si establecemos un gradiente de temperatura entre ambas cajas, las moléculas de hidrógeno, al tener una menor masa, tendrán mayor difusión y aparecerán en una concentración superior en la caja más “fría” en comparación con el nitrógenos que tendrá mayor concentración en la caja más “caliente” debido a su menor difusión. En este caso, atendiendo al segundo principio, podremos determinar que se ha establecido un aumento de la entropía, pero también un fenómeno de ordenación. Aunque clásicamente se asocia orden con el equilibrio y desorden con el no equilibrio, hoy se sabe que no es del todo exacto, ya que se ha descubierto que fenómenos tradicionalmente desordenados como la turbulencia, en realidad muestran estar muy estructurados. Por ello, debemos definir un fenómeno ordenado como aquel que establece una coherencia entre las moléculas. Y se ha demostrado que el universo del no-equilibrio es un universo coherente. Esto se puede observar al calentar un estrato de líquido por debajo. En este caso observaremos la formación de vórtices (objeto desordenado) para poder transmitir mejor el calor que solo mediante la conducción térmica. Es decir, aparecen estructuras de no equilibrio que se conocen como estructuras disipativas, estructuras que aparecen como un mecanismo de amplificación de las fluctuaciones.

En una reacción química, se producen fluctuaciones sin cesar, siempre hay una mayor o menor concentración de los compuestos de la reacción respecto a la media en el estado de equilibrio, pero son hechos insignificantes ya que las fluctuaciones mueren rápidamente, volviendo el sistema al estado homogéneo. No obstante, en una situación alejada del equilibrio, puede observarse lo contrario. En vez de retornar al estado inicial de equilibrio homogéneo, puede originarse una amplificación de las fluctuaciones, que lleve al sistema ante nuevos estados, como en una explosión. El ejemplo más característico de estos sistemas del no equilibrio, lo podemos encontrar en el clima, con sus numerosos períodos de glaciaciones. Al poder establecer una historia del clima, ya afirmamos que se trata de un sistema alejado del equilibrio. Un sistema en equilibrio, no puede tener historia, está condenado a persistir en su estado estable, en donde las fluctuaciones son nulas o despreciables.

En definitiva, la segunda ley de la termodinámica no debe entenderse únicamente como una condena al desorden creciente, sino como el marco en el que emergen nuevas formas de organización cuando los sistemas se encuentran alejados del equilibrio. La entropía, lejos de ser sinónimo exclusivo de caos, permite la aparición de estructuras coherentes que canalizan y disipan la energía de manera más eficiente. La irreversibilidad, por tanto, no es solo la pérdida de orden, sino también el origen de la complejidad, la historia y la diversidad de comportamientos observables en la naturaleza, desde los fluidos en convección hasta el clima o los procesos químicos. Así, el desorden no destruye necesariamente el orden, sino que, paradójicamente, puede ser su condición de posibilidad del mismo.

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