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.