Un reinicio del experimento mental del demonio de Maxwell, en la vida real

14/10/2022

Un reinicio del experimento mental del demonio de Maxwell, en la vida real

Antoine Naert tiene reconstruyó un accesorio sacado directamente de la Revolución Industrial. Pero no esperes motores de vapor o engranajes de latón decorativos. Naert, físico de ENS Lyon en Francia, y su equipo tienen una visión única: su artilugio consiste en un recipiente de vidrio insonorizado colocado sobre una plataforma vibratoria que agita unas 300 cuentas de acero en su interior como una maraca silenciosa.

El dispositivo parece menos steampunk y más un proyecto de feria de ciencias del siglo XXI. Pero no se equivoquen: es la reinterpretación de Naert de un experimento mental del siglo XIX conocido como el demonio de Maxwell. Para buscar violaciones de la segunda ley de la termodinámica, en 1867 el físico escocés James Clerk Maxwell propuso el concepto de un “demonio” que podría interactuar con partículas microscópicas. En pocas palabras, la segunda ley establece que sin el aporte de energía adicional, el calor siempre fluye desde una región caliente hacia una región fría. Imaginar un demonio que podría interrumpir el flujo obliga a los físicos a contemplar lo que realmente significa la segunda ley.

“Podemos entrar en el funcionamiento de la segunda ley mediante tales experimentos mentales”, dice Naert. “Y lo construimos de verdad”.

Los contemporáneos de Maxwell habían descubierto la segunda ley mientras investigaban la forma más eficiente de convertir el calor (de la quema de carbón, por ejemplo) en el movimiento de pistones y turbinas. Pero este principio resulta tener implicaciones mucho más amplias que solo para las máquinas de vapor. Es por eso que el hielo siempre se derrite en una bebida a temperatura ambiente, pero la bebida nunca se convierte en hielo. Dicho de otra manera, la segunda ley indica que ciertos procesos en la naturaleza pueden avanzar solo en una dirección. Tales procesos irreversibles distinguen el pasado del presente, lo que los físicos llaman "la flecha del tiempo". “Este es realmente el principio que describe por qué envejecemos”, dice Naert.

La segunda ley "es gran parte de nuestra experiencia", dice el físico Harvey Leff, profesor emérito de la Universidad Politécnica del Estado de California, Pomona. “Lo observamos cuando ponemos nuestra mano cerca del fuego y decimos, 'Vaya, eso está caliente', y apartamos la mano”. Cualquier excepción, como un refrigerador donde el calor fluye de frío a caliente, requiere una fuente de energía.

Pero, ¿qué significa que algo esté caliente o frío? Para responder a esa pregunta sobre el vapor y otros gases, los físicos del siglo XIX desarrollaron el concepto de temperatura para describir la velocidad promedio de numerosas partículas que rebotan en direcciones aleatorias, algunas más rápidas, otras más lentas. (Más tarde, descubrirían que las partículas eran átomos y moléculas). Las temperaturas más altas significan que las partículas se mueven a una velocidad promedio más rápida.

El objetivo de una máquina de vapor es convertir el movimiento caótico del vapor de agua caliente en movimiento en una dirección definida, como el movimiento vertical de un pistón. Para crear un movimiento ordenado, la segunda ley dice que debe mantener el gas en dos regiones a diferentes temperaturas. Si todo el gas estuviera a la misma temperatura, las partículas de vapor se moverían en direcciones aleatorias y ese movimiento aleatorio no empujaría el pistón en una dirección específica.

Fotografía: A. Naert/ENS-Lyon

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