ASPECTOS PRÁCTICOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La termodinámica es una ciencia natural fundamental que trata varios aspectos de la energía, e incluso las personas que no se dedican a la técnica poseen un conocimiento básico sobre la energía y la primera ley de la termodinámica, ya que difícilmente algún aspecto de la vida no involucra transferencia o transformación de energía en diferentes formas. Por ejemplo, todas las personas que hacen dietas basan su estilo de vida en el principio de la conservación de energía. Aunque se comprenden con rapidez los aspectos de la primera ley de la termodinámica y sean fácilmente aceptados por la mayoría de las personas, no hay un conocimiento generalizado sobre la segunda ley de la termodinámica, y de hecho no son del todo apreciados los aspectos de ésta incluso por las personas que poseen fundamentos técnicos. Esto ocasiona que algunos estudiantes vean la segunda ley como algo que es de interés teórico en lugar de una importante y práctica herramienta de ingeniería. Como resultado, los estudiantes muestran poco interés en el estudio detallado de la segunda ley de la termodinámica, lo cual es desafortunado para ellos porque terminan con una perspectiva unilateral acerca de la termodinámica y carecen de la visión completa y equilibrada sobre la misma.

Muchos sucesos ordinarios que pasan inadvertidos pueden servir como excelentes vehículos para comunicar conceptos importantes de la termodinámica. Se intenta demostrar la relevancia de los conceptos de la segunda ley como exergía, trabajo reversible, irreversibilidad y la eficiencia según la segunda ley en diversos aspectos de la vida diaria mediante ejemplos con los que incluso las personas sin fundamentos técnicos pueden identificarse. La esperanza es que se refuerce la comprensión y apreciación de la segunda ley y que se motive para usarla más frecuentemente tanto en áreas técnicas como no técnicas. Al lector crítico se le recuerda que los conceptos presentados posteriormente son moderados y difíciles de cuantificar, y que se incluyen aquí para estimular el interés en el estudio de la segunda ley de la termodinámica y reforzar la comprensión y apreciación acerca de esta ley.

Los conceptos de la segunda ley se usan implícitamente en varios aspectos de la vida diaria, y muchas personas exitosas parecen hacer uso extenso de éstos aun sin comprenderlos. Además, hay un creciente reconocimiento de que la calidad juega un papel tan importante como la cantidad en las actividades diarias ordinarias. El siguiente párrafo apareció en un artículo de la Reno Gazette-Journal, el 3 de marzo de 1991:

El Dr. Held se considera un sobreviviente de la conspiración del tictac. Aproximadamente hace cuatro años, en una fecha cercana a su cumpleaños número 40, él trabajaba tarde con jornadas de 21 horas diarias, laborando fuera, cuidando de sus tres niños y practicando deportes. Dormía aproximadamente entre cuatro y cinco horas durante la noche. . . “Actualmente me voy a la cama a las 9:30 y me levanto a las 6”, afirma Held. “Hago el doble de lo que antes solía hacer. No tengo que hacer las cosas dos veces o leer tres veces algo antes de entenderlo.”

Esta declaración tiene una fuerte relevancia en el análisis de la segunda ley, ya que indica que el problema no es cuánto tiempo tenemos (primera ley), sino más bien qué tan eficazmente lo usamos (segunda ley). Que una persona consiga hacer más en menos tiempo no es diferente que un automóvil recorra más kilómetros con menos combustible.

En la termodinámica, el trabajo reversible para un proceso es definido como la salida máxima de trabajo útil (o la entrada mínima de trabajo) para ese proceso. Esto significa el trabajo útil que un sistema puede entregar (o consumir) durante un proceso entre dos estados especificados si ese proceso se ejecuta en una manera reversible (perfecta). La diferencia entre los trabajos reversible y útil real se debe a las imperfecciones, tal diferencia se denomina irreversibilidad (el potencial de trabajo desperdiciado). Para el caso especial del estado final correspondiente al estado muerto o al de los alrededores, el trabajo reversible se vuelve un máximo y se llama exergía del sistema en el estado inicial. La irreversibilidad para un proceso reversible o perfecto es cero.

En la vida diaria puede verse la exergía de una persona como el mejor trabajo que la persona puede realizar bajo las condiciones más favorables. El trabajo reversible en la vida diaria, por otro lado, puede verse como el mejor trabajo que una persona puede hacer bajo algunas condiciones especificadas. Entonces, la diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo real llevado a cabo bajo esas condiciones puede verse como irreversibilidad o exergía destruida. En sistemas técnicos, se intenta identificar las fuentes con mayores irreversibilidades para minimizarlas y así maximizar el desempeño. En la vida cotidiana una persona debe hacer exactamente lo mismo para aumentar al máximo su desempeño.

La exergía de una persona en un momento y un lugar dados pueden ser vistos como la cantidad máxima de trabajo que pueden hacer en ese tiempo y lugar. La exergía es ciertamente difícil de cuantificar debido a la interdependencia de capacidades físicas e intelectuales de una persona. La habilidad de realizar tareas físicas e intelectuales simultáneamente incluso complica aún más las cosas. Obviamente la educación y la capacitación aumentan la exergía de una persona, mientras que el envejecimiento disminuye la exergía física. A diferencia de la mayor parte de las cosas mecánicas, la exergía de los seres humanos es una función de tiempo, por lo que la exergía física y/o intelectual de una persona se desperdiciará si no se utiliza en el momento adecuado. Un barril de petróleo no pierde nada de su exergía si se deja almacenado durante 40 años, pero una persona perderá mucha de su exergía total durante ese periodo si él o ella permanecen inmóviles.

Por ejemplo, un granjero que trabaje adecuadamente puede hacer uso total de su exergía física pero utilizar muy poco su exergía intelectual; por lo tanto, podría aprender un idioma extranjero o una ciencia escuchando algunos CD educativos al mismo tiempo que realiza su trabajo físico. Esto también se cumple para las personas que pasan un tiempo considerable en el automóvil al trasladarse a su trabajo. Se espera que algún día podamos hacer el análisis de la exergía para las personas y sus actividades, lo cual indicará a la gente la manera de minimizar su destrucción de exergía y conseguir hacer más en menos tiempo. Las microcomputadoras pueden realizar varias tareas a la vez, ¿por qué los seres humanos no son capaces de hacer lo mismo?

Los niños nacen con diferentes niveles de exergía (talentos) en diferentes áreas. Aplicarles exámenes de aptitud profesional en una edad temprana es simplemente un esfuerzo para descubrir la magnitud de sus “exergías”, o talentos ocultos. Entonces los niños se orientan hacia áreas en las que tienen mayor exergía. Una vez como adultos, es más probable que se desempeñen en niveles altos sin forzar sus posibilidades más allá de los límites si se adaptan naturalmente en esas áreas.

Es posible comparar el nivel de agudeza de una persona con su exergía en las tareas intelectuales. Cuando una persona descansa bien, el grado de agudeza, y por ende su exergía intelectual, está en un límite máximo y esta exergía disminuye con el tiempo cuando la persona se cansa, como se ilustra en la figura 8-49. Las diferentes tareas cotidianas requieren distintos niveles de exergía intelectual, de ahí que la diferencia entre la agudeza disponible y la requerida pueda considerarse como la agudeza desperdiciada o destrucción de exergía. Para minimizar esta destrucción de exergía debe haber un estrecho vínculo entre la agudeza disponible y la requerida.

Considere a un estudiante bien descansado que planea utilizar las próximas 4 horas para estudiar y ver una película que dura 2 horas. Desde el punto de vista de la primera ley, no hay diferencia en el orden en que se realizarán estas tareas, pero desde el punto de vista de la segunda ley representa mucha diferencia. De estas dos tareas, estudiar requiere más agudeza intelectual que la que se necesita para ver una película, por lo que tiene sentido termodinámico estudiar primero, cuando la agudeza es alta, y ver la película después, cuando la agudeza es menor, como se muestra en la figura. Un estudiante que realiza estas actividades de manera inversa desperdiciará una gran cantidad de agudeza viendo la película, como se ilustra en la figura 8-49, y tendrá que repasar más al estudiar debido a la insuficiente agudeza, por lo que conseguirá hacer menos en el mismo lapso.

En termodinámica, la eficiencia según la primera ley (o eficiencia térmica) de una máquina térmica se define como la relación entre la salida de trabajo neta y la entrada de calor total. Es decir, es la fracción del calor suministrado que se convierte en trabajo neto. En general, la eficiencia según la primera ley puede considerarse como la razón entre la salida deseada y la entrada requerida. La eficiencia según la primera ley no hace referencia al mejor desempeño posible y en consecuencia esta eficiencia por sí sola no es una medida realista del desempeño. Para superar esta deficiencia se define la eficiencia según la segunda ley, la cual es una medida del desempeño real relativo al mejor desempeño posible bajo las mismas condiciones. Para máquinas térmicas, la eficiencia según la segunda ley se define como la relación entre la eficiencia térmica real y la máxima eficiencia térmica posible (reversible) en las mismas condiciones.

En la vida diaria la eficiencia según la primera ley o el desempeño de una persona puede considerarse como el logro de esa persona en relación con el esfuerzo que dedica. Por otro lado, la eficiencia según la segunda ley de una persona es el desempeño de ésta en relación con su mejor desempeño posible de acuerdo con las circunstancias.

La felicidad se relaciona estrechamente con la eficiencia según la segunda ley. Los niños pequeños son probablemente los seres humanos más felices porque si se consideran sus limitadas capacidades, es poco lo que pueden hacer, aunque lo hacen bastante bien. Los niños tienen eficiencias según la segunda ley muy altas en su vida diaria. El término “vida plena” también se refiere a la eficiencia según la segunda ley. Se considera que una persona tiene vida plena, y por lo tanto una eficiencia según la segunda ley muy alta, si ha utilizado todas sus habilidades hasta el límite a lo largo de su vida.

Incluso una persona discapacitada tendrá que dedicar un esfuerzo considerable para lograr lo que una persona normal consigue, aun cuando logre menos con mayor esfuerzo, pero seguramente con un desempeño impresionante logrará más elogios. Así, es posible afirmar que esta persona discapacitada tuvo una baja eficiencia según la primera ley (logró poco con un gran esfuerzo) pero una muy alta eficiencia según la segunda ley (logró tanto como es posible de acuerdo con las circunstancias).

En la vida diaria la exergía puede considerarse también como las oportunidades que tenemos, mientras que la destrucción de exergía como las oportunidades desperdiciadas. El tiempo es el máximo activo, y el tiempo desperdiciado es la oportunidad desperdiciada para hacer algo útil (Fig. 8-50).

La segunda ley de la termodinámica tiene también interesantes ramificaciones filosóficas. La masa y la energía son cantidades conservadas, y están relacionadas con la primera ley de la termodinámica, mientras que la entropía y la exergía son cantidades no conservadas, y están relacionadas con la segunda ley. El universo que percibimos por nuestros cinco sentidos consiste en cantidades conservadas, y por lo tanto tendemos a considerar las cantidades no conservadas como si no fueran reales, e incluso fuera de este universo. La teoría del “big bang”, ampliamente aceptada, acerca del origen del universo, hizo surgir la idea de que éste es un universo totalmente material, y de que todo está hecho de materia (o más correctamente, de masa-energía). Como las cantidades conservadas, la masa y la energía, encajan en la descripción de cantidades verdaderamente físicas, pero la entropía y la exergía no encajan, ya que la entropía se puede crear, y la exergía se puede destruir. Así, la entropía y la exergía no son verdaderamente cantidades físicas, aunque están estrechamente relacionadas con las cantidades físicas de masa y energía. Por lo tanto, la segunda ley trata de cantidades que pertenecen a una clase diferente de existencia —un universo en el que las cosas comienzan a existir a partir de nada, y salen de la existencia a la nada—, y abre un universo que está más allá del universo conservado, totalmente material, que conocemos.

Un argumento similar se puede dar para las leyes de la naturaleza que gobiernan la materia. No hay duda de que tanto la primera ley de la termodiná- mica como la segunda existen, y éstas y otras leyes como las leyes de Newton sobre el movimiento gobiernan el universo físico tras bambalinas. Como lo expresa Alfred Montapert, “Las leyes de la naturaleza son el gobierno invisible de la Tierra”. Albert Einstein expresa este fenómeno así: “Hay un espíritu manifiesto en las leyes del universo”. Con todo, estas leyes que constituyen el núcleo de las ciencias, no se pueden percibir con nuestros cinco sentidos, y no tienen existencia material, y por lo tanto, no están sujetas a las limitaciones del tiempo y el espacio. Como tales, las leyes que parecen haberse infundido en toda la materia como un espíritu gobiernan en todas partes, pero no están en ninguna parte. Parece que cantidades como entropía y exergía que comienzan a existir a partir de la nada y salen de la existencia a la nada junto con las leyes de la naturaleza como la primera ley y la segunda ley que gobiernan el universo del “big bang” con una mano invisible y poderosa, están señalando el camino para una definición ampliada de la existencia que esté más en línea con los fenómenos percibidos y observados.

Los argumentos presentados en esta sección son de naturaleza exploratoria, se espera que den pie a algunas interesantes discusiones e investigaciones que puedan conducir a un mejor entendimiento acerca del desempeño en diversos aspectos de la vida cotidiana. Con el tiempo la segunda ley podría emplearse para determinar cuantitativamente la manera más efectiva de mejorar la calidad de vida y el desempeño cotidiano, del mismo modo que se emplea en el presente para mejorar la realización de los sistemas técnicos.