SintiendoSintiendo la la entropentropííaa

JosJoséé M. M. MMééndezndez A.A.CinvestavCinvestav

MotivaciMotivacióónn

La La ingenieringenierííaa gengenééticatica, la , la fotfotóónicanica, la , la ingenieringenierííaaentrentróópicapica y la y la cienciaciencia de de materialesmateriales blandosblandos, , entreentre ellosellos loslos biomaterialesbiomateriales, son , son algunasalgunas de de laslas disciplinasdisciplinas ttéécnicascnicas de de gestacigestacióónn actual actual basadasbasadas en la en la manipulacimanipulacióónn de la de la entropentropííaa..

Con el Con el proppropóósitosito de de fomentarfomentar la la participaciparticipacióónn de de dichodicho desarrollodesarrollo tecnoltecnolóógicogico, en , en estaestaconferenciaconferencia se se describendescriben algunosalgunos fenfenóómenosmenosffíísicossicos queque coadyuvancoadyuvan a la a la enseenseññanzaanza del del conceptoconcepto de de entropentropííaa en en loslos nivelesniveles mediomedio y y superior.superior.

BosquejoBosquejo histhistóóricorico: : TemperaturaTemperatura

Galileo Galileo GalileiGalilei (1564(1564--1642), 1642), Evangelista Torricelli (1608Evangelista Torricelli (1608--1647) y 1647) y Otto von Otto von GuerickeGuericke (1602(1602--1686) se 1686) se esforzaronesforzaron porpor usarusar la la expansiexpansióónn de de loslos gases gases parapara construirconstruirtermtermóómetrosmetros..Daniel Fahrenheit (1686Daniel Fahrenheit (1686--1736) 1736) fuefueel el primeroprimero en en introducirintroducir unauna escalaescalarazonablerazonable de de temperaturatemperatura..

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John Dalton (1766John Dalton (1766--1844) 1844) reconocireconocióó la la existenciaexistencia de un de un puntopunto cero cero absolutoabsoluto. . Sin embargo, Sin embargo, fuefue Lord Kelvin Lord Kelvin quienquienlogrlogróó eliminareliminar la la arbitrariedadarbitrariedadentoncesentonces generalizadageneralizada..Joseph Black (1728Joseph Black (1728--1793) 1793) aclaraclaróó la la diferenciadiferencia conceptual conceptual entreentretemperaturatemperatura y y calorcalor. . DesdeDesde entoncesentonces, , hastahasta aproximadamenteaproximadamente 1850, el 1850, el calorcalorfuefue vistovisto comocomo un un tipotipo de de sustanciasustancia..

BosquejoBosquejo histhistóóricorico::CalorCalor

A finales del A finales del siglosiglo XVIII Daniel XVIII Daniel Bernoulli Bernoulli desarrolldesarrollóó unauna teorteorííaa cincinééticaticaparapara loslos fenfenóómenosmenos calcalóóricosricos, , peroperosussus ideas ideas fueronfueron olvidadasolvidadasrráápidamentepidamente, a , a pesarpesar de de queque en 1798 en 1798 B. Thomson, B. Thomson, CondeConde de Rumford, de Rumford, mostrmostróó queque al al taladrartaladrar cacaññonesones con con brocasbrocas romasromas se se puedepuede generargenerarmucho mucho calorcalor..

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J. T. Mayer J. T. Mayer interpretinterpretóó laslasobservacionesobservaciones de B. Thomson en de B. Thomson en ttéérminosrminos de la de la teorteorííaa del del caloricumcaloricum. . EstaEsta interpretaciinterpretacióónn fuefue apoyadaapoyada porpor la la teorteorííaa de la de la conducciconduccióónn del del calorcalordesarrolladadesarrollada porpor J. B. Fourier J. B. Fourier entreentre1811 y 1822.1811 y 1822.SadiSadi CarnotCarnot incluyincluyóó la la conservaciconservacióónndel del caloricumcaloricum y la del y la del trabajotrabajo en en sussusfamososfamosos experimentosexperimentos pensadospensadossobresobre procesosprocesos ccííclicosclicos (1824).(1824).

BosquejoBosquejo histhistóóricorico::EnergEnergííaa

Huygens Huygens encontrencontróó (a (a mmááss tardartardar en en 1673) el 1673) el principioprincipio de de conservaciconservacióónn de de la la energenergííaa parapara un campo un campo uniformeuniforme, , Newton Newton parapara el campo el campo gravitacionalgravitacional y, y, finalmentefinalmente, D. Bernoulli , D. Bernoulli formulformulóó unaunaexpresiexpresióónn general general parapara la la energenergííaamecmecáánicanica..Leibniz Leibniz ususóó mvmv22 comocomo medidamedida de la de la fuerzafuerza vivaviva y y crecreííaa en en susuconservaciconservacióónn, , pensandopensando queque durantedurantela la friccifriccióónn se se convertconvertííaa en en algalgúúnn tipotipode de energenergííaa ocultaoculta..

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H. H. HelmholtzHelmholtz opinabaopinaba queque la la ffíísicasicaconsistconsistííaa porpor completocompleto de de mecmecáánicanicasin sin friccifriccióónn. . FresnelFresnel representabarepresentaba a la a la luzluz comocomo vibracionesvibraciones del del etherether con con unauna fuerzafuerza vivaviva queque era era absorvidaabsorvida porporloslos mediosmedios, , conviticonvitiééndosendose en en movimientomovimiento ocultooculto, o , o calorcalor. Fourier . Fourier contradeccontradecííaa estasestas ideas ideas aduciendoaduciendoqueque susu teorteorííaa de la de la conducciconduccióónn del del calorcalor no era de no era de naturalezanaturaleza mecmecáánicanica..

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En 1842 Robert Mayer En 1842 Robert Mayer publicpublicóó sussusnotasnotas sobresobre laslas fuerzasfuerzas en la en la naturalezanaturaleza inerteinerte, , dondedonde concluconcluííaa quequeel el calorcalor era un era un tipotipo de de energenergííaa, y , y quequela la energenergííaa se se conservabaconservaba. . PorPordesgraciadesgracia, , susu descubrimientodescubrimiento no no fuefuetomadotomado en en cuentacuenta..

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James Prescott Joule (1818James Prescott Joule (1818--1889) 1889) demostrdemostróó la la equivalenciaequivalencia de de energenergííaaququíímicamica, , elelééctricactrica, , mecmecáánicanica y y calorcalor..HelmholtzHelmholtz fuefue el el primeroprimero en en darledarle unaunaestructuraestructura matemmatemááticatica al al PrincipioPrincipio de de ConservaciConservacióónn de la de la EnergEnergííaa. Para 1860 . Para 1860 dichodicho principioprincipio yaya habhabííaa sidosido aceptadoaceptadofirmementefirmemente..

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Rudolf Rudolf ClausiusClausius (1822(1822--1888) 1888) demostrdemostróóen 1850 en 1850 queque la la esenciaesencia del del PrincipioPrincipiode de CarnotCarnot podpodííaa interpretarseinterpretarse comocomo la la equivalenciaequivalencia de de calorcalor y y trabajotrabajo. . AlgunosAlgunos de de sussus descubrimientosdescubrimientostambitambiéénn fueronfueron hechoshechos porpor Benoit Benoit ClapeyronClapeyron de forma de forma independienteindependiente((EcuaciEcuacióónn de de ClausiusClausius--ClapeyronClapeyron).).

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MotivadoMotivado porpor laslas medicionesmediciones de de ClapeyronClapeyron de 1834, William Thomson, de 1834, William Thomson, Lord Kelvin, Lord Kelvin, propusopropuso en 1848 la en 1848 la introducciintroduccióónn de de unauna escalaescala absolutaabsolutade de temperaturastemperaturas. En 1853 . En 1853 demostrdemostróócon el con el conocidoconocido experimentoexperimento de Joulede Joule--Thomson Thomson queque la la energenergííaa internainterna de de loslosgases gases idealesideales ssóólolo podpodííaa dependerdepender de de la la temperaturatemperatura..

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ClausiusClausius enuncienuncióó en 1854 la 2en 1854 la 2aa LeyLey de de la la TermodinTermodináámicamica parapara procesosprocesosreversiblesreversibles e e irreversiblesirreversibles. En 1862 le . En 1862 le llamllamóó valor de valor de transformacitransformacióónn del del calorcalor a la integral de a la integral de ddQ/TQ/T, y a , y a partirpartirde 1865 de 1865 entropentropííaa, del , del griegogriego oo tropoVtropoVqueque significasignifica cambiocambio de forma.de forma.

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En 1860 James Clerk Maxwell En 1860 James Clerk Maxwell publicpublicóóla la distribucidistribucióónn de de velocidadesvelocidades de de MaxwellMaxwell--BoltzmannBoltzmann. En 1866 se le . En 1866 se le ocurriocurrióó ccóómomo demostrarlademostrarla. En 1868 . En 1868 Ludwig Ludwig BoltzmannBoltzmann la la generalizgeneralizóóintroduciendointroduciendo el factor de el factor de BoltzmannBoltzmanny en 1877 y en 1877 propusopropuso la la ffóórmularmula S=S=klnklnWW. . En 1872 En 1872 formulformulóó el el famosofamoso TeoremaTeoremaHH de de BoltzmannBoltzmann queque explicabaexplicaba el el sentidosentido en en queque transcurretranscurre el el tiempotiempo..

VivimosVivimos en un en un mundomundoenergenergééticotico

TenemosTenemos unauna culturaculturaenergenergééticatica E=mcE=mc22

El El conceptoconcepto de de energenergííaa y el y el cosmoscosmos

El El conceptoconcepto de de energenergííaa nosnos permitepermite etiquetaretiquetar el el estadoestado de de laslas cosascosas y y asignarlesasignarles un un ordenordennatural.natural.

VivimosVivimos en un en un mundomundoentrentróópicopico

No No tenemostenemos unauna culturaculturaentrentróópicapica S=S=klnklnΩΩ

The second law of thermodynamics The second law of thermodynamics states that whenever you do states that whenever you do something constructive, there is a something constructive, there is a lessless--organized waste product. This is organized waste product. This is mine.mine.

El El conceptoconcepto de de entropentropííaa y el y el caoscaos

SiSi se se aceptaacepta queque un un sistemasistema estestáá mmáássorganizadoorganizado mientrasmientras mayor mayor eses el el nnúúmeromero de de restriccionesrestricciones impuestasimpuestas, la , la entropentropííaa esesentoncesentonces la la medidamedida de la de la faltafalta de de organizaciorganizacióónn de un de un sistemasistema macroscmacroscóópicopicoaisladoaislado; ; cadacada vezvez queque se se remueveremueve unaunarestriccirestriccióónn en en esteeste sistemasistema, se induce un , se induce un procesoproceso queque, al , al terminarterminar, , dejadeja al al sistemasistema en en un un estadoestado con con unauna restriccirestriccióónn menosmenos y, y, porpor lo lo tantotanto, , mmááss desorganizadodesorganizado..

El cosmos El cosmos detrdetrááss del del caoscaos

SiempreSiempre queque se genera se genera entropentropííaa hay dos hay dos efectosefectos encontradosencontrados; ; porpor un un ladolado se produce se produce ordenorden y y porpor el el otrootro desordendesorden..CuandoCuando el el paisajepaisaje energenergééticotico eses planoplano, el , el conceptoconcepto de de entropentropííaa nosnos permitepermite etiquetaretiquetar el el estadoestado de de laslas cosascosas y y asignarlesasignarles un un ordenordennatural.natural.

CuantificandoCuantificando la la entropentropííaa::CCáálculolculo de de configuracionesconfiguraciones

CuantificandoCuantificando la la entropentropííaa::CCáálculolculo de de configuracionesconfiguraciones

ManipulandoManipulando la la entropentropííaa::FuerzasFuerzas de de vaciamientovaciamiento

ManipulandoManipulando la la entropentropííaa::FuerzasFuerzas de de vaciamientovaciamiento

ManipulandoManipulando la la entropentropííaa::La La elasticidadelasticidad del del cauchocaucho

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UtilizandoUtilizando la la entropentropííaa::CristalizaciCristalizacióónn de de proteproteíínasnas

UtilizandoUtilizando la la entropentropííaa::EmpaquetamientoEmpaquetamiento de ADNde ADN

UtilizandoUtilizando la la entropentropííaa::CristalesCristales fotfotóónicosnicos