Energía y entropía

Este artículo es una sinopsis del material sobre energía y entropía del libro "La batalla del agujero negro".

La energía puede cambiar de forma. Cinética, potencial, química, eléctrica, nuclear y térmica son solo algunas de las formas de energía. Cambia constantemente de una forma a otra, pero una cosa no cambia: la suma total de todas las formas de energía nunca cambia.

Veamos un ejemplo. Elevar un objeto masivo, por ejemplo, una piedra a una colina. Antes de comenzar a criar, puede refrescarse con comida. Después de levantar la piedra, suéltela y, bajo la influencia de la gravedad, rueda hacia abajo. En consecuencia, la energía química (alimentos) se convierte en energía potencial y luego en energía cinética. Pero, ¿qué sucede con la energía cinética cuando la piedra rueda y se detiene? Se convierte en calor, parte del cual se ha ido a la atmósfera y parte al suelo. Ciclo completo: químico => potencial => cinético => térmico.

Einstein demostró que la masa es energía. Al afirmar esto, quiso decir que cada objeto contiene energía latente que se puede extraer cambiando su masa. Por ejemplo, un núcleo de uranio se desintegra espontáneamente en núcleos de torio y helio. Juntos, pesan un poco menos que el uranio original. Este exceso de masa se convierte en energía cinética de núcleos de torio y helio, así como en varios fotones. Cuando los átomos se ralentizan y los fotones se absorben, el exceso de energía se convierte en calor.

La energía térmica es la más misteriosa de todas. Antes del advenimiento de la teoría molecular moderna del calor, los físicos y químicos lo consideraban una sustancia que se comportaba como un líquido. Se imaginó que fluye de los objetos calientes a los fríos, enfriando los calientes y calentando los fríos.

Pero el calor es una forma de energía. Para visualizar esto, hagamos un experimento mental. Si se reduce al tamaño de una molécula en agua caliente, puede ver cómo las moléculas de agua chocan rápida y aleatoriamente entre sí. Si el agua comienza a enfriarse, las moléculas se moverán más lentamente. Si se enfría hasta el punto de congelación, las moléculas se combinan para formar un cristal sólido. Aun así, dudan. Si se retira toda la energía, las moléculas dejan de vibrar (si no se tienen en cuenta las fluctuaciones cuánticas) y en este caso la temperatura alcanzará el cero absoluto Kelvin o menos 273,15 grados Celsius.

El principio de conservación de la energía durante sus transformaciones entre diferentes formas se denomina primera ley de la termodinámica .

Entropía

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