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¿Por qué el tiempo no corre hacia atrás dentro de un frigorífico?

La flecha del tiempo se asocia a menudo con el hecho de que la entropía siempre aumenta. Por otro lado eso debería significar, que si la entropía disminuye el tiempo debería correr hacia atrás. Pero dentro de un frigorífico tenemos esa situación. La entropía dentro de un frigorífico disminuye (al menos mientras se enfría). Sin embargo, al mirar dentro del frigorífico mientras se enfría, el tiempo no parece correr hacia atrás. Las cosas caen hacia abajo y no hacia arriba, las cosas rotas no se recomponen, etc. .

Entiendo que un frigorífico no es un sistema cerrado y que no se aplica la segunda ley de la termodinámica. Pero, ¿eso significa también que no se puede definir una flecha del tiempo para un sistema abierto como un frigorífico? ¿O debemos concluir que la conexión entre entropía y tiempo es una ilusión? Si no podemos utilizar la entropía para definir una flecha del tiempo dentro de un sistema abierto, ¿qué es lo que garantiza que el tiempo no corra hacia atrás dentro de un frigorífico?

ACTUALIZACIÓN: He encontrado un artículo reciente Siegel: ¿De dónde viene nuestra flecha del tiempo? donde el autor expone básicamente la misma idea con palabras diferentes:

...si todo lo que hicieras fuera vivir en una parcela del Universo que viera disminuir su entropía, el tiempo seguiría avanzando para ti. La flecha termodinámica del tiempo no determina la dirección en la que percibimos el paso del tiempo. Entonces, ¿de dónde viene la flecha del tiempo que se correlaciona con nuestra percepción?

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John R Ramsden Puntos 143

La respuesta corta es que la entropía en el sistema disminuye sólo debido al hecho de que el flujo de salida de entropía es mayor que el crecimiento local. Pero el crecimiento local positivo de la entropía es lo importante para la flecha del tiempo y por eso el tiempo no corre hacia atrás en un frigorífico.


Esto puede demostrarse utilizando una descripción fluida del sistema abierto (frigorífico). En los fluidos, el aumento local de entropía puede expresarse mediante la no conservación de la densidad de entropía $\sigma$ : $$\frac{\partial \sigma}{\partial t} + \nabla \cdot (\sigma \vec{v}) \geq 0 $$ donde $\sigma\equiv \Delta S /\Delta V$ es la cantidad de entropía $\Delta S$ en un volumen infinitesimal $\Delta V$ en un punto determinado.

Puedes ver que la desigualdad anterior es no simétrica con respecto a la inversión del tiempo (lo que conduce a un menos delante de $\partial/\partial t$ y $\vec{v} = d \vec{x}/dt$ ). Su significado es exactamente una formulación local de la ley de aumento de la entropía. Es decir, mientras se cumpla la ley anterior, la flecha del tiempo discurre correctamente y en la dirección correcta. Veremos a continuación que una disminución de la entropía de un sistema abierto más grande no está en conflicto con esta flecha de tiempo local .

Estudiemos ahora nuestro sistema abierto de volumen $V$ con una superficie límite $\Sigma$ . Integramos la desigualdad anterior sobre todo este volumen para obtener $$ -\frac{\partial}{\partial t} \int_V\sigma d V \leq \int_V \nabla \cdot(\sigma \vec{v}) dV $$ La integral de la densidad de entropía sobre el volumen del sistema es, por supuesto, simplemente la entropía total del sistema $S_{tot}$ . El lado izquierdo de esta nueva desigualdad integral es entonces simplemente el disminución de la entropía total de nuestro sistema . Además, podemos tomar el lado derecho y utilizar el Teorema de Gauss (o de la divergencia) para expresarlo como una integral sólo sobre la superficie de nuestro sistema abierto $$ \int_V \nabla \cdot(\sigma \vec{v}) dV = \int_\Sigma \sigma \vec{v} \cdot d \vec{\Sigma} $$ Físicamente, $\sigma \vec{v} \cdot d \vec{\Sigma}$ es el flujo de entropía fuera del sistema a través de un elemento infinitesimal de la superficie límite del sistema $\Sigma$ . La integral completa es entonces simplemente el flujo total de entropía fuera de nuestro sistema abierto .

Así pues, hemos deducido una desigualdad $$-\frac{\partial S_{tot}}{\partial t} \leq \int_\Sigma \sigma \vec{v} \cdot d \vec{\Sigma} $$ El lado izquierdo es la disminución total de entropía en nuestro sistema, y el lado derecho es el flujo total de entropía fuera del sistema. Ahora, puedes ver explícitamente que una disminución de la entropía de un sistema abierto es totalmente coherente con la ley local de aumento de la entropía siempre que la cantidad de entropía que sale del sistema sea mayor que la cantidad de entropía que disminuye . Lo mismo ocurre con el frigorífico y cualquier sistema de refrigeración.

7voto

valerio92 Puntos 483

Pero, ¿debería eso significar también que no se puede definir una flecha del tiempo para un sistema abierto como un frigorífico? ¿O debemos concluir que la conexión entre entropía y tiempo es una ilusión? Si no podemos utilizar la entropía para definir una flecha del tiempo dentro de un sistema abierto, ¿qué es lo que garantiza que el tiempo no corra hacia atrás dentro de un frigorífico?

Tomemos a un científico que vive en nuestro mundo. Después de algún tiempo experimentando, se dará cuenta de lo siguiente:

Si dos cuerpos entran en contacto físico, la energía siempre fluirá espontáneamente del cuerpo más caliente al más frío, y nunca en sentido contrario.

Aquí, la palabra clave es " espontáneamente ", sin que se haya realizado ningún trabajo.

El científico definirá entonces la dirección "hacia delante" en el tiempo como la dirección en la que la energía fluye espontáneamente de un cuerpo más caliente a un cuerpo más frío.

Pensemos ahora en un mini-científico que vive dentro de la nevera. Nació dentro de él y no conoce ninguna realidad externa al frigorífico. Nunca verá el flujo de calor desde el interior hacia el exterior, porque para él no hay "exterior" (partamos de la hipótesis de que la temperatura se mantiene aproximadamente constante en el interior del frigorífico). ¿Cómo definirá el minicientífico la dirección "hacia delante" en el tiempo?

La respuesta es: del mismo modo que el científico que vive fuera . De hecho, si se ponen en contacto dos objetos a distinta temperatura dentro del frigorífico, el calor siempre fluirá espontáneamente del cuerpo más caliente al más frío (y, como has dicho, los trozos de un vaso roto no volverán a juntarse por arte de magia sólo porque estemos dentro de un frigorífico).

Sí, un observador externo verá que hay un flujo de calor desde el interior más frío del frigorífico hacia el ambiente exterior más caliente, pero también verá que el frigorífico está enchufado y que se está realizando trabajo, por lo que el proceso no es espontáneo y la definición de la dirección "hacia delante" en el tiempo es segura.

Así que yo diría que el problema es sólo aparente, y que no hay problemas a la hora de definir la flecha del tiempo dentro de un sistema abierto.

3voto

Ubobo Puntos 113

La flecha del tiempo en un sistema termodinámico debe considerarse, en cambio, como una afirmación sobre la invariancia temporal inversa. Por ejemplo, en la mecánica clásica, basándose únicamente en el movimiento de las partículas, no se puede saber si el tiempo avanza o retrocede. De la misma manera, en un sistema abierto no se puede saber en qué dirección fluye el tiempo basándose únicamente en el cambio de entropía. En esencia, la entropía no define la dirección del tiempo en un sistema abierto.

Sin embargo, esto es diferente a preguntar por qué el tiempo no corre hacia atrás en un frigorífico. Si se piensa en un frigorífico como algo que disminuye la entropía con el tiempo, se puede pensar en su pareja invertida en el tiempo como un calentador que aumenta la entropía con el tiempo. Por lo tanto, al pensar en el sistema como un frigorífico, ya has seleccionado una dirección temporal concreta. Nadie te impide definir que el tiempo fluye en la dirección opuesta, pero preguntar por qué el tiempo no corre hacia atrás en un frigorífico no es realmente una pregunta bien planteada. Decir que el tiempo fluye hacia atrás es una afirmación relativa; tienes que decirme a qué es relativo "hacia atrás".

EDITAR: Mi respuesta parece insatisfactoria, así que trataré de explicarla.

En primer lugar, ¿qué se entiende por tiempo? Es un parámetro 1D que controla las propiedades de los objetos (por ejemplo, la posición). Se puede pensar que cada propiedad física (objeto) tiene independientemente su propio parámetro de tiempo.

Ahora bien, es interesante observar que las leyes microscópicas de la física son invariantes en el tiempo. Esto significa que la forma de las ecuaciones no cambia de $t\rightarrow -t$ . Sin embargo, seguirás teniendo diferencias cualitativas, como la velocidad $v \rightarrow -v$ bajo inversión temporal. Por lo tanto, una partícula que se mueve hacia la derecha se moverá hacia la izquierda bajo la inversión del tiempo. Por lo tanto, lo que la invariancia temporal significa es que si miras un clip de una partícula moviéndose hacia delante en el tiempo frente a una moviéndose hacia atrás en el tiempo, no puedes decir cuál es cuál. Por tanto, si no sabemos en qué dirección debería ir el tiempo, podemos elegir la que queramos.

Entonces, podemos elegir una dirección temporal para cada partícula de una colección como queramos. Pero un momento, si veo moverse a todas las partículas, está claro que sus direcciones temporales deberían estar sincronizadas con mi tiempo. De ahí que nos topemos con una propiedad clave del tiempo: que depende del observador. El observador es el que establece el avance del tiempo para todas las partículas. Por lo tanto, volviendo a la pregunta, si yo, el observador, llamo refrigerador a un sistema, ya he seleccionado una dirección temporal para él, lo que hace que la pregunta original en sí misma esté mal planteada. En otras palabras, la razón por la que el tiempo del frigorífico y el deterioro de los alimentos y la influencia de la gravedad tienen todos la misma dirección temporal es porque su dirección temporal es asignada por el observador.

Ahora bien, la segunda ley establece que la entropía en un sistema cerrado debe aumentar con el tiempo. Por lo tanto, al igual que antes, esto define una dirección temporal para la propiedad de la entropía. Ahora, de alguna manera debemos sincronizar esta dirección temporal con la de todas las demás direcciones temporales, de nuevo a través de un observador. Lo mágico, como señala el artículo que citas, es que por alguna razón la dirección temporal seleccionada por la segunda ley es siempre la misma que la dirección temporal seleccionada por los observadores en el universo físico. Pero, como también reconoce el artículo, nadie sabe realmente por qué. Al menos, no parece que sea una consecuencia derivada por ninguna teoría física bien aceptada, sino más bien una coincidencia postulada (como la equivalencia de la masa inercial y gravitatoria).

3voto

Alex Puntos 1374

La entropía siempre aumenta en un sistema cerrado. El Universo se considera un sistema cerrado por lo que la entropía del Universo siempre aumenta a menos que se invierta su flecha temporal. Un frigorífico intercambia calor con el entorno, por lo que no es un sistema cerrado. Si compruebas la suma de entropía del interior y el exterior del frigorífico aumentará con el tiempo.

3voto

Phonon Puntos 2895

La segunda ley puede enunciarse sin tener que definir una noción de entropía, ya que destaca principalmente, por un lado, cómo la energía puede convertirse en trabajo y, por otro, el hecho de que observamos una flecha del tiempo en el mundo macroscópico, por ejemplo, el calor de caliente a frío. Estas dos afirmaciones son reformulaciones que Kelvin y Clausius aportaron respectivamente a la segunda ley. Más concretamente:

  • Como dice Kelvin: No es posible ningún proceso termodinámico cuyo único efecto es extraer calor y convertirlo totalmente en trabajo.
  • Versión de Clausius: no puede haber ningún proceso termodinámico capaz de únicamente transferir calor de un depósito frío a uno caliente.

La fuerza de estas declaraciones reside en el uso de único efecto o únicamente . Aplica la segunda versión a tu frigorífico: dice que para que tu frigorífico extraiga el calor del interior (depósito de frío) y lo transfiera al exterior (cocina) tienes que hacer un trabajo (desconecta el cable de la electricidad y no funcionará ;). ¿Qué significa todo esto? El calor es un flujo de caliente a frío y nunca al revés, y de ahí la implicación de una "flecha" de tiempo.

Espero que esto te convenza de cómo puedes emplear la segunda ley al observar fenómenos de la vida real sin recurrir a reformulaciones entrópicas. Si quieres expresar todo esto en términos de cambio de entropía, recuerda que cuando se estudia la evolución temporal de sistemas macroscópicos, sólo se puede hacer una afirmación consistente sobre la flecha del tiempo cuando se considera el cambio de entropía de todo el universo (en nuestro ejemplo, cocina+nevera). Además, al calcular el cambio total de entropía, se suma el cambio de entropía del depósito frío $\Delta_c$ con la del depósito caliente $\Delta_h.$ Pero para calcular esta última, la transferencia reversible de calor en el sistema no sólo es $Q_c$ (calor eliminado del depósito frío) pero $Q_c+W,$ con $W$ el trabajo suministrado, que se utiliza para comprimir el fluido de trabajo del frigorífico. La inclusión de $W$ esto es exactamente de lo que trata la afirmación de Clausius.

Última observación después de leer algunos de los comentarios: recuerda que en cuanto limitas tu sistema a uno completamente aislado (por ejemplo, un ciclo termodinámico compuesto sólo de procesos adiabáticos), te encuentras con la Desigualdad de Clausius que en palabras dice: la entropía de un sistema aislado nunca disminuye.

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