Aparentemente, la capacidad humana para el autoengaño sostenido es ilimitada. Recuerdo con claridad, hace ya más de 10 años, una clase magistral de un catedrático de mecánica en la que contó la anécdota, tristemente real, de los hombres del maletín. Invariablemente, cada año acudían a su despacho varios individuos portadores de un abultado maletín repleto de papeles. Todos seguían idéntica pauta: desplegaban sobre su mesa infinidad de planos, cálculos y descripciones de una máquina de movimiento perpetuo, destinada obviamente a revolucionar los cimientos de la civilización; la misma premisa: no violaba ninguna ley física, y el mismo resultado: errores en el planteamiento o en algún cálculo. El tiempo perdido por el catedrático en encontrar el inevitable fallo no producía resultado alguno en el excéntrico inventor; lejos de dar la razón al experto, volvían al cabo de cierto tiempo con nuevos planos. Eso sí, sin ningún prototipo operativo. Me mantengo en lo dicho: la estupidez humana es ilimitada.
El libro que aquí trataremos "Las cuatro leyes del Universo" trata, y ciertamente lo consigue, de explicar los misterios de la termodinámica de un modo ampliamente comprensible. Peter Atkins, un prolífico químico inglés con más de 60 libros técnicos y divulgativos publicados explica, uno por uno, los fundamentos de la termodinámica.
En el primer capítulo, acertadamente titulado la ley 0, trata concienzudamente de describir el concepto de temperatura de un sistema. El autor empieza por los cimientos, definiendo términos clave como el de sistema, frontera y energía interna de un cuerpo. Explica con cierto detalle el origen de las escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit y Kelvin, remarcando la arbitrariedad de la escala Fahrenheit (donde el cero corresponde a la temperatura más baja de una mezcla de agua e hielo y el 100 corresponde a la temperatura del cuerpo del experimentador Fahrenheit). Mención aparte merece la explicación de la distribución de Boltzmann que representa la distribución de las moléculas en función de la energía de sus estados, cuyo parámetro beta el autor considera un modo más natural de expresar la temperatura, ya que de esta manera, se ahorra incluir la constante k. El autor también incide en la diferencia entre la termodinámica clásica (donde se estudian relaciones entre magnitudes macroscópicas) y la termodinámica estadística (donde se tiene en cuenta que la materia está constituida por átomos).
En el siguiente apartado, "La primera ley", se explica la que quizás es la ley más importante de la ciencia, la ley de la conservación de la energía. El autor, como en el capítulo anterior, empieza por los conceptos más básicos. La noción de trabajo es definida como movimiento contra una fuerza opuesta. A partir de aquí generaliza este concepto a cualquier sistema. Por ejemplo una batería tiene trabajo, ya que puede accionar un motor que, acoplado a una polea, será capaz de levantar una determinada masa a una cierta altura. Se introduce a continuación el concepto de energía interna.
"La segunda ley" trata de la entropía, que es intuida como una el escéptico medida de la calidad de la energía de un sistema (baja entropía equivale a alta calidad). Se explica el ciclo de Carnot, lo que permite determinar el rendimiento máximo de una máquina térmica en función de las temperaturas del foco caliente y el foco frío. Interesantes son las distintas formulaciones equivalentes que muestra el autor respecto a la segunda ley de la termodinámica. Esta ley muestra, de todas las posibles transformaciones energéticas, cuáles se producen de forma espontánea.
En el cuarto capítulo Atkins nos habla de la energía libre, la de un sistema que está en disposición de efectuar un trabajo. Asimismo se recalca que un proceso en el que se obtiene trabajo puede ser espontáneo y, a su vez, producirse con una disminución local de la entropía, siempre que el aumento de la entropía de los alrededores del sistema sea superior, ya que entonces la variación total de la entropía del universo será positiva.
Desde un punto de vista fenomenológico, la tercera ley enuncia que es inalcanzable el cero absoluto de temperatura. A medida que un cuerpo se enfría, cada vez cuesta más enfriarlo, hay que suministrar más trabajo para extraer calor de un cuerpo frío. Y en el límite inferior, cuando la temperatura fuera de 0 K, habría que proporcionar una cantidad de trabajo infinita. Se podría pensar que una máquina térmica que comprimiera un fluido de manera isotérmica y luego realizara una expansión adiabática alcanzaría los 0 K. Pero cuando la temperatura baja los efectos de la expansión adiabática en la temperatura disminuyen. Importantes aplicaciones prácticas como la superconductividad y la superfluidez están relacionadas con esta ley.
Uno de los aciertos del texto radica en el modo en que es 74 explicado el concepto de temperatura negativa. Esta puede ser alcanzada por métodos no cíclicos (el láser de un reproductor de DVD proporciona un ejemplo doméstico). Si el cero absoluto constituye un estado donde los átomos no poseen energía cinética y los espines están orientados todos en la misma dirección (spin down) y si en una temperatura de valor infinito la distribución de los espines es aleatoria (up, down), necesitamos valores negativos para describir la situación de spines alineados en la misma dirección pero opuesto sentido que en el primer caso (spin up).
Un aspecto que hay que agradecer en la edición española respecto a la original americana es la mejor calidad de reproducción de las figuras explicativas. Un mayor tamaño que facilita la comprensión de los temas tratados.
En resumidas cuentas, este libro divulgativo, deliberadamente eludiendo la compleja termodinámica de los sistemas en desequilibrio, es una óptima introducción para el lector en general de este esencial campo de la ciencia. Lástima que los hombres del maletín no leyeran el libro de Atkins. Se habrían ahorrado infinidad de horas malgastadas. O quizás no. Como comentábamos y repetíamos antes, la ceguera autoimpuesta no tiene límites.
*Agradezco a Juan Manuel Sánchez el asesoramiento brindado en la elaboración de esta reseña.
Peter Atkins
Título original: Four laws that drive the Universe
Traducción: Jesús Fabregat.
Editorial Espasa Calpe S.A. Madrid, 2008.