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¿Por qué las leyes de la termodinámica son "supremas entre las leyes de la Naturaleza"?

Eddington escribió

La ley de que la entropía siempre aumenta ocupa, creo, la posición suprema entre las leyes de la Naturaleza. Si alguien te señala que tu teoría favorita del universo está en desacuerdo con las ecuaciones de Maxwell - entonces mucho peor para las ecuaciones de Maxwell. Si se descubre que la observación la contradice, bueno, estos experimentadores a veces cometen errores. Pero si se descubre que su teoría está en contra de la segunda ley de la termodinámica no puedo darle ninguna esperanza; no le queda más que derrumbarse en la más profunda humillación.

y Einstein escribió

La [termodinámica clásica] es la única teoría física de contenido universal que estoy convencido de que nunca será superada, dentro del marco de aplicabilidad de sus conceptos básicos.

¿Por qué han dicho eso? ¿Es una visión muy profunda la que tuvieron, o es algo de lo que uno puede convencerse fácilmente? O incluso, ¿es algo trivial?

7voto

Además de las otras respuestas, me gustaría añadir que el teorema de Liouville, (el volumen en el espacio de fase se conserva en el tiempo) combinado con algún análisis de la información puede predecir la existencia de la segunda ley de la termodinámica bastante bien.

Si nos atenemos a una interprentación de la Mecánica Cuántica sin "colapso" (ya que una mecánica de colapso contraviene a Liouville) podemos incluso derivarla directamente de la física más básica conocida.

El razonamiento es el siguiente: El teorema de Liouvilles dice que el volumen del espacio de fase se conserva. Desgraciadamente, tenemos una capacidad de razonamiento finita, por lo que nos ofuscamos un poco para no agobiarnos, perdiendo información en el proceso.

Esta pequeña simulación crece rápidamente de forma increíble, de hecho no puedo seguirla. ¿Y tú?

Sin embargo, la segunda ley de la termodinámica sólo tiene sentido si intentamos hacer un análisis informativo de ella. En ausencia de un sistema de información con capacidad finita de análisis y medición, carece de todo sentido.

7voto

DEfusion Puntos 2793

Einstein está siendo mucho más profundo y sutil que Eddington, pero incluso la cita de Eddington ha sido malinterpretada. Eddington no está diciendo que la Segunda Ley de la Termodinámica nunca pueda ser violada, de hecho, en otros pasajes suyos, que he publicado en otros lugares de este sitio, dice explícitamente que es posible. No. Lo que Eddington está diciendo es que si su teoría qua teoría demuestra que por regla general la entropía no tiene por qué aumentar, entonces no hay esperanza para ti. En casos muy excepcionales o raros que, por cierto, no serán reproducibles por otros experimentadores ya que son extraños, Eddington admite que la Segunda Ley puede ser violada.

Einstein está siendo más interesante. Obsérvese bien su cautela al matizar su afirmación: "en el marco de la aplicabilidad de sus conceptos básicos". Evidentemente, quiere decir al menos "suponiendo que esté dentro del marco de validez de las aproximaciones que hace", por ejemplo, tenemos que estar hablando de cuerpos macroscópicos, propiedades macroscópicas y variables macroscópicas. No de motores de Szilard. Pero quiere decir más, y de dos maneras interesantes.

A. Como señala anna v. en algún comentario, la Termodinámica o la Stat Mech son teorías matemáticas que hacen ciertas idealizaciones del mundo real. Rara vez estoy de acuerdo con la forma exacta en que ella plantea las cosas, pero aquí Max Planck en su antiquísimo libro sobre Termodinámica hace explícita una de las idealizaciones que hace la Termodinámica, por lo que sus resultados son sólo aproximaciones: siempre suponemos que el sistema dinámico pasa de su estado actual al macroestado más probable al que puede pasar. Las leyes de la Termodinámica, e incluso toda su estructura matemática, se basan en esta suposición, según Planck. Así que Einstein está diciendo que siempre que esta suposición se mantenga, las conclusiones de la Termodinámica nunca serán derribadas. Y Einstein estaba seguro que las conclusiones de la Mecánica Cuántica serían derribadas, incluso dentro de su propia por una teoría determinista más completa con variables ocultas. Así que él está implícitamente contrastando la Termodinámica con eso y haciendo que la Termodinámica sea más fundamental que la Mecánica Cuántica. Esto es mucho más que decir que las observaciones experimentales que, hasta la fecha, apoyan la Termodinámica, nunca serán contradichas en el futuro.

B. Einstein, Estoy seguro de que (Supongo que es una especie de descargo de responsabilidad... cuanto más utiliza alguien palabras como "seguro", menos lo hace ....) también estaba contrastando la Termodinámica con, por ejemplo, la teoría newtoniana de la gravedad. A la gente le gusta decir que la teoría newtoniana conserva su validez como una buena aproximación. Pero Einstein está afirmando que la Termodinámica es mucho más que una buena aproximación. La gravedad newtoniana es una mala aproximación a los eventos cercanos a los agujeros negros, e incluso el principio de la constancia de la velocidad de la luz (relatividad especial) es una mala aproximación cerca de un agujero negro. Einstein está afirmando que la estructura lógica de la Termodinámica se mantendrá en todas las futuras teorías físicas, sin importar las nuevas fuerzas que se descubran, y que puede y será erigida sobre cualquier nueva física fundamental que aparezca, sustancialmente sin cambios. La nueva física fundamental encontrará los nuevos lugares donde la la vieja física fundamental es una mala aproximación, pero la Termodinámica seguirá siendo válida incluso en esos nuevos lugares. Por ejemplo, sigue siendo válida para los agujeros negros.

Estas no son necesariamente mis opiniones.

3voto

Mark Rovetta Puntos 2721

Creo que el nombre de Josiah Willard Gibbs debería aparecer en algún lugar de esta página porque creo que merece gran parte del crédito por formular estas "leyes" en la forma que reconocemos. Además, me enseñaron que una "ley de la naturaleza" era una regla empírica formulada por observación e inducción. Si considera las leyes de la termodinámica como "supremas", eso podría ser justificable porque (1) nunca se ha encontrado ninguna prueba experimental que refute estas "leyes" y (2) fueron el producto de un genio.

2voto

actual Puntos 1397

Cuatro leyes de la termodinámica:

  1. Conservación de la energía. Tiene sentido, si perdemos energía debe ir a alguna parte, puede que no sepamos dónde, pero es razonable que debe ir a alguna parte. Si ganamos energía, debemos ganarla de algún lugar.

  2. La entropía sólo aumenta. Evidentemente, hay muchas más formas de que un sistema esté desordenado que de que esté ordenado. (Piensa en tu habitación. un estado ordenado significa que tus libros están confinados en el escritorio y tu ropa en el armario. un estado desordenado tiene infinitas posibilidades). Esto significa que la probabilidad de que un sistema pase de un estado desordenado a uno ordenado es lo suficientemente pequeña como para que, si lo observamos, podamos suponer con seguridad que se está vertiendo algo de energía en el sistema para dirigirlo. (por ejemplo, tú limpiando tu habitación).

  3. "La entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que la temperatura se acerca a cero" en el cero absoluto no hay energía, y si no hay energía nada puede cambiar de estado. ya que cualquier diferencia entre los elementos del sistema habría provocado un intercambio y por tanto energía. Podemos deducir que todos los elementos son iguales.

  4. Este parece decir que si $a=c$ y $b=c$ entonces concluimos que $a=b$ .

No soy físico (lo cual es obvio por mi explicación) pero me parecen principios intuitivos muy básicos. Están casi a la par con la lógica y los principios algebraicos.

1voto

Rainer Puntos 43

El ley de que la entropía siempre aumenta es un teorema matemático, no es una ley física.

Posdata: Una ley física es una hipótesis sobre la naturaleza. Se considera válida hasta que la contradice un experimento. En ese caso se dice que la ley es falsificado .

Una ley física no se puede demostrar; pero sí se puede refutar (mediante experimentos).

La teoría de la relatividad se acepta porque (y mientras) nunca ha sido contradicha por un experimento.

La ley de que la entropía siempre aumenta es diferente. De hecho, se puede demostrar, como cualquier teorema matemático. Se deduce de la observación (mundana) de que un sistema tiene la mayor probabilidad de estar en el estado con el mayor grado o libertad (o el mayor número de permutaciones).

Supongo que se considera una ley de la física principalmente por razones históricas...

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