CONCEPTOS FÍSICOS

CONCEPTOS TERMODINÁMICOS

 "Horno cuerpo negro", que consiste en una cavidad con una abertura muy pequeña para que entre desde el exterior la radiación incidente. La radiación exterior, entra al horno a través del agujero, y en su interior choca contra la pared interior del horno que en parte es absorbida y en parte reflejada. Luego la porción reflejada choca con otro punto de la pared interior, la cual absorbe otra porción y la refleja parcialmente, y así continúa el ciclo. Pasado cierto tiempo y luego de sucesivas reflexiones, la radiación exterior incidente es totalmente absorbida.

En donde A, B, C, D, E, F, G y H son nodos en la pared interior de la cavidad del "Horno cuerpo negro".

La pared exterior del horno, generan un espectro de radiación desde el interior de la cavidad llamado "radiación de cavidad". Por consiguiente, la radiación del interior de una cavidad cuyas paredes están a una temperatura ${\displaystyle \scriptstyle T}$ es de la misma índole que la radiación emitida por la superficie de un cuerpo negro a temperatura ${\displaystyle \scriptstyle T}$. El color (cromaticidad) corresponde a la radiación que depende de la temperatura del cuerpo negro; ese espacio es conocido como el "locus Planckian".

Lord Rayleig y sir James Jeans demostraron que la radiación dentro de cada cavidad de volumen ${\displaystyle \scriptstyle V}$ consta de ondas estacionarias con nodos en las paredes. Calcularon el número de ondas estacionarias para el intervalo de frecuencia ${\displaystyle \scriptstyle \nu }$ a ${\displaystyle (\scriptstyle v,{\text{d}}\nu )}$ como:

${\displaystyle N(\nu )={\frac {8\pi \ V}{c^{2}}}\nu ^{2}{\text{d}}\nu }$

Para un radiador de 1500 K cuando la frecuencia se reduce a cero, el espectro predicho por la fórmula clásica de Rayleigh y Jeans se acerca más y más al espectro observado experimentalmente. Sin embargo, cuando la frecuencia se aumenta a valores de la región ultravioleta del espectro, el resultado teórico clásico difiere enormemente del experimento, ya que la “formula matemática” predice una densidad de energía infinita, cuando la densidad de la energía, a frecuencias muy altas, tiende a cero, lo que se llamó catástrofe ultravioleta.

Energía[editar]

En la física clásica el nivel de energía puede tener cualquier valor en una gama continua que parte desde cero hasta llegar a grandes magnitudes. Sin embargo, para Planck ello no es así, ya que en vez de ser valores continuos se tratan de valores discretos como sucede en: ${\displaystyle \mathbb {N} =\{1,2,3,4,5,\dots \,n,\dots \}}$

Así como en el conjunto de los números naturales corresponde a un conjunto discreto, también lo es la energía de los estados cuánticos:

${\displaystyle \,E_{n}=\,nh\nu }$

donde:

${\displaystyle n\in \{1,2,3,4,{5^{}}^{}...\}\,}$

${\displaystyle h=\,\,6,626\ 068\ 96(33)\times 10^{-34}\ {\mbox{J}}\cdot {\mbox{s}}\,\,}$ es la constante de Planck

${\displaystyle \nu \,}$, frecuencia del fotón.

No parece que los péndulos tengan energía discreta como lo postula Planck, sino que a la inversa, dan la impresión de que en su recorrido indefectiblemente viajan a través de una gama continuo de energía, a medida que sigue su movimiento oscilante. Algunas personas, podrán argüir que para oscilaciones, dentro de nuestro marco cotidiano, no es visible ni es detectable la naturaleza “cuantizada” del recorrido de péndulo en oscilación. Y agregaran, que los sistemas macroscópicos no revelaran si el postulado de Planck es válido o no.

Gráfica de la fórmula clásica[editar]

Energía radiada como función de la longitud de onda para varios cuerpos a diferentes temperaturas.

La curva punteada (en violeta) grafica la fórmula clásica de Rayleigh y Jeans, que tiende al infinito. En donde la caparazón del Horno, debiera radiar una energía que tendiera al infinito, que, en el hecho, no se observa. En efecto, a medida que la temperatura disminuye, el pico del cuerpo negro de la curva de la radiación se mueve a menor intensidad y longitudes de onda más largas. En consecuencia la radiación gráficada del cuerpo negro es comparación con el modelo clásico de Rayleigh y Jeans.

Historia[editar]

Planck, en un principio cuantizó exclusivamente la energía de los electrones de las paredes de la cavidad, pues no aceptó la idea de que las ondas electromagnéticas oscilantes del interior de la cavidad del horno también estuvieran cuantizadas, y durante diez años trato de unificar la idea cuántica con la teoría clásica, resistiendo las ideas sobre la teoría cuántica de la radiación electromagnética elaborada por Einstein.

El cuerpo negro

La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente.

Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.

La radiación del cuerpo negro

Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético existente en la cavidad es constante.
A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están hechas.

Si se abre un pequeño agujero en el recipiente, parte de la radiación se escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve completamente negro a bajas temperaturas.

Históricamente, el nacimiento de la Mecánica Cuántica, se sitúa en el momento en el que Max Panck explica el mecanismo que hace que los átomos radiantes produzcan la distribución de energía observada. Max Planck sugirió en 1900 que

1. La radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con los átomos de las paredes que se comportan como osciladores armónicos de frecuencia dada f .
2. Cada oscilador puede absorber o emitir energía de la radiación en una cantidad proporcional a f. Cuando un oscilador absorbe o emite radiación electromagnética, su energía aumenta o disminuye en una cantidad hf .

La segunda hipótesis de Planck, establece que la energía de los osciladores está cuantizada. La energía de un oscilador de frecuencia f sólo puede tener ciertos valores que son 0, hf , 2hf ,3hf ....nhf .
La distribución espectral de radiación es continua y tiene un máximo dependiente de la temperatura. La distribución espectral se puede expresar en términos de la longitud de onda o de la frecuencia de la radiación.
dE_f /df es la densidad de energía por unidad de frecuencia para la frecuencia f de la radiación contenida en una cavidad a la temperatura absoluta T. Su unidad es (J·m^-3)·s.

donde k es la constante de Boltzmann cuyo valor es k=1.3805·10^-23 J/K.
dE_l /dl es la densidad de energía por unidad de longitud de onda para la longitud de onda l de la radiación contenida en una cavidad a la temperatura absoluta T. Su unidad es (J·m^-3)·m^-1.

irreversibilidad se aplica a aquellos procesos que, como la entropía, no son reversibles en el tiempo. Desde esta perspectiva termodinámica, todos los procesos naturales son irreversibles. El fenómeno de la irreversibilidad resulta del hecho de que si un sistema termodinámico de moléculas interactivas es trasladado de un estado termodinámico a otro, ello dará como resultado que la configuración o distribución de átomos y moléculas en el seno de dicho sistema variará.

Cierta cantidad de "energía de transformación" se activará cuando las moléculas del "cuerpo de trabajo" interaccionen entre sí al cambiar de un estado a otro. Durante esta transformación, habrá cierta pérdida o disipación de energía calorífica, atribuible al rozamiento intermolecular y a las colisiones.

Lo importante es que dicha energía no será recuperable si el proceso se invierte.

Absoluto contra reversibilidad estadística[editar]

La termodinámica define el comportamiento estadístico de muchas entidades, cuyo exacto comportamiento es dado por leyes más específicas. Debido a que las leyes fundamentales de la física son en todo momento reversibles,¹​ puede argumentarse que la irreversibilidad de la termodinámica debe presentarse estadísticamente en la naturaleza, es decir, que debe simplemente ser muy improbable, pero no imposible, que la entropía disminuya con el tiempo en un sistema dado.

Historia[editar]

El físico alemán Rudolf Clausius, en los años 50 del siglo XIX, fue el primero en cuantificar matemáticamente el fenómeno de la irreversibilidad en la naturaleza, y lo hizo a través de la introducción del concepto de entropía. En su escrito de 1854 "Sobre la modificación del segundo teorema fundamental en la teoría mecánica del calor", Clausius afirma:

Podría ocurrir, además, que en lugar de un descenso en la transmisión de calor que acompañaría, en el único y mismo proceso, la transmisión en aumento, puede ocurrir otro cambio permanente, que tiene la peculiaridad de no ser reversible, sin que pueda tampoco ser reemplazado por un nuevo cambio permanente de una clase similar, o producir un descenso en la transmisión de calor.

Sistemas complejos[editar]

Sin embargo, aun en el caso de que los físicos afirmen que todo proceso es irreversible en cierto sentido, la diferencia entre los eventos reversibles e irreversibles tiene valor explicativo, si son considerados los sistemas más complejos, como organismos vivos, especies o ecosistemas.

De acuerdo con los biólogos Humberto Maturana y Francisco Varela, los seres vivos se caracterizan por la autopoiesis, que permite su existencia en el tiempo.

Formas más primitivas de sistemas autoorganizados han sido descritas por el físico y químico belga Ilya Prigogine. En el contexto de sistemas complejos, los eventos que resultan al final de ciertos procesos autoorganizativos, como la muerte, la extinción de una especie o el colapso de un sistema meteorológico, pueden ser considerados irreversibles.

Incluso si desarrollamos un clon con el mismo principio organizativo (por ejemplo, idéntica estructura de ADN), esto no quiere decir que el viejo sistema volviese a reproducirse. Los eventos a los que pueden adaptarse las capacidades de autoorganización de los organismos, especies u otros sistemas complejos, de la misma manera que lesiones menores o cambios en el ambiente físico, son reversibles. Principios ecológicos como la sostenibilidad y el principio de precaución pueden ser definidos con referencia al concepto de reversibilidad.

Con todo, la postura de Ilya Prigogine sobre la irreversibilidad y la entropía varía con respecto a la de la física tradicional. En su conferencia El nacimiento del tiempo (Roma, 1987), el científico sostuvo:

La entropía contiene siempre dos elementos dialécticos: un elemento creador de desorden, pero también un elemento creador de orden. (...) Vemos, pues, que la inestabilidad, las fluctuaciones y la irreversibilidad desempeñan un papel en todos los niveles de la naturaleza: químico, ecológico, climatológico, biológico -con la formación de biomoléculas-, y finalmente cosmológico.

De esta manera, se observa que el fenómeno de la irreversibilidad para Prigogine tiene carácter constructivo, destacando el “papel creativo del tiempo”, lo que, al menos a nivel macroscópico, supone una especie de anti-entropía:

El universo del no-equilibrio es un universo coherente.

Otras acepciones[editar]

El término irreversibilidad se emplea además en otros campos de las ciencias y el conocimiento, como la economía, el derecho y la medicina.

En medicina, por ejemplo, designa a ciertos procesos degenerativos o dolencias incurables: "Sufre un coma irreversible."

En el plano psicológico, las grandes desgracias y sufrimientos que aquejan al ser humano (la pérdida de seres queridos, las quiebras y reveses económicos, las grandes derrotas militares...) no lo son, en gran medida, sino por ser interpretados como irreversibles. La propia muerte es el hecho irreversible por antonomasia.