TRAS LA PISTA DE LA ENERGÍA.
LA PELÍCULA FULL DOME DEL CIEMAT
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SINOPSIS:
Un viaje imaginario full-dome tras la pista de la energía. Veremos cómo la energía se transforma de unas formas a otras conservándose. Sin embargo tiende a degradarse, pero entre tanto las transformaciones de energía producen cambios y hasta se pueden aprovechar para poner en funcionamiento motores. Lola y Lolo nos presentan el primer y segundo principios de la termodinámica y como la energía potencial de un péndulo se transforma en cinética y viceversa. Nos llevan al interior de las bolas de un péndulo de Newton. Nos muestran la recreación de un motor que funciona gracias al trasiego de energía del foco caliente al foco frío. Nos presentan a un hipotético demonio de Maxwell y nos ayudan a visualizar el concepto de entropía o desorden. Todo ello contado en tan sólo 10 minutos que se pasan volando gracias a un ritmo musical que acompañan los dinámicos diálogos de nuestros personajes.
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FICHA TÉCNICA:
Duración: 10 minutos.
Resolución: 1200x1200 píxeles.
Público: Todos los públicos.
A partir de 12 años.
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Dirección, animación y montaje : Alejandro Durán.
Coordinación CIEMAT: Carmen Martín.
Idea original y asesoramiento científico: Pedro Olmos.
Guión: Pedro Pablo Barral.
Actores: Pedro Pablo Barral, Paloma Catatán y "el Duende".
Doblaje: Arturo López y María Sánchez.
Sonorización: Megara Desarrollos Audiovisuales.
Recursos videos: www.pond5.com
Tema musical original: "Duende" de Jesús Hidalgo.
Agradecimientos: Ayuntamiento de Trujillo, Equipo CETA-CIEMAT, Eurocosmos, Maria Luisa Solano, Chela Sobrevilla, Nacho Gómez, Oscar Macho, Noel Dalla, Asociación Astroescolar y Asociación Nuestros Cielos.
Una producción del CIEMAT cofinanciada por el FEDER.
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Title: On the Trail of Energy
Production: CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas)
Country: Spain
Runtime: 10 minutes
A fulldome imaginary journey on the trail of energy. We will see how energy is transformed from one form to the others preserving itself. However, it tends to degrade, but in the meantime the energy transformations cause changes and can even be used to operate motors. Paul and Paula present the first and second law of thermodynamics and how the potential energy of a pendulum is transformed into kinetic and vice versa. They take us inside the balls of a Newton pendulum. We show the recreation of an engine that runs through the reshuffle of energy from the hot to the cold focal points. We present a hypothetical Maxwell’s Demon and it helps us to visualize the concept of entropy or disorder. All this explained in just 10 minutes which fly by thanks to the musical rhythm that accompanies the dynamic dialogue of our characters.
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SOBRE ENERGÍA, ENTROPÍA Y DIABLILLOS.
Tradicionalmente se define la energía como “la capacidad para producir un trabajo”, que es lo mismo que decir que la energía es la responsable del movimiento de un determinado cuerpo. Esta definición, esencialmente mecanicista, que sirve para describir cuantitativamente con precisión los diferentes estados de un móvil no explica satisfactoriamente la naturaleza de un concepto tan profundo y fundamental para describir el Universo que nos rodea. Simplemente es una variable útil en unas fórmulas… y nada más. Aunque se ha intentado definir el concepto como tal no se ha llegado a ningún enunciado totalmente satisfactorio, por lo que la mayoría de los físicos aceptan describir a la energía por sus efectos y, sobre todo, por las leyes universales a las que está sometida.
Hay dos principios fundamentales que rigen todo el comportamiento de esa “cosa” que denominamos energía. Estos principios (como todo principio en Ciencia experimental) se han deducido a lo largo de la historia como consecuencia de exhaustivas observaciones de la Naturaleza y son, por tanto, de carácter empírico. Por mucho que se haya escrito por autores más preocupados por temas filosóficos o metafísicos, las leyes llamadas de la Termodinámica (porque es esta materia la que históricamente ha tratado los intercambios térmicos) no son más que enunciados de un conocimiento práctico del entorno y no se derivan de nada más profundo, religioso o existencial; sirven además como cimientos de una construcción teórica formal cuyas consecuencias prácticas (tecnológicas) son de todos conocidas y utilizadas.
La Termodinámica, en su formulación más clásica, describe el comportamiento de sistemas que experimentan transformaciones reversibles, esto es, aquellas que pueden volver a su estado inicial con sólo invertir el orden; puede suponerse que un proceso cualquiera estará compuesto por un conjunto de transformaciones elementales (infinitesimales) reversibles. Es en estas condiciones (con esta aproximación) donde los dos principios tienen su rango de validez. Además ambos se aplican siempre a sistemas cerrados, es decir aquellos que no pueden realizar intercambios de ningún tipo con su entorno.
El primer principio establece que la energía total del sistema (cerrado) ha de permanecer constante. La energía es algo inmutable, siempre ha existido y siempre existirá; solo puede transformarse o intercambiarse entre los componentes del sistema, pero nunca crearse o destruirse. En realidad, este principio define lo que es la energía. La energía no es algo propio o inherente a un cuerpo o parte de un sistema aislado. Los cuerpos NO tienen energía, aunque coloquialmente hablemos de que “poseen” una forma determinada de energía (potencial, química,…), lo que suele llevar a errores muy comunes. Es la especial disposición del cuerpo en su entorno lo que define la cantidad de energía que puede estar involucrada en un determinado proceso de interacción entre ambos (entorno y cuerpo), manteniéndose la correspondiente al sistema
total cerrado constante. Por ejemplo, una persona en lo alto de una montaña no TIENE energía potencial (como si tuviera dinero en el banco); es su posición dentro de un campo gravitatorio (el de la Tierra) lo que define exactamente las características del movimiento que se producirá cuando se despeñe, mueva o cambe de posición.
En resumen, el primer principio establece la constancia e inmutabilidad de la cantidad total de la energía en un sistema aislado. La energía es la responsable de la totalidad de los procesos o cambios que ocurren en el Universo, los cuales utilizan y generan “pequeñas” cantidades de una cosa que viene a ser como las monedas que usamos en la vida corriente (que las gastamos o las cobramos); pero la cantidad total de dinero en circulación es siempre la misma.
El segundo principio va un poco más allá y “califica” a esta energía. Originalmente fue formulado como: “el calor sólo puede pasar espontáneamente de un cuerpo más caliente a otro más frío”, algo obvio y fácilmente comprobable en la experiencia cotidiana. En este punto entra en juego una variable que no por común es menos importante, la temperatura (T). El calor (Q), que se define (después de una monumental controversia histórica) como el cambio de energía resultante de una transformación (o energía en tránsito), es una magnitud difícilmente mensurable, intuitivamente poco amigable y siempre referida a interacciones entre cuerpos o sistemas. En cambio, la temperatura es algo a lo que todos estamos acostumbrados y - lo más importante - es algo propio de los cuerpos, como el tamaño (volumen) o la presión (de hecho, es proporcional a la velocidad media de las moléculas – si fuera un gas). Además, desde el Renacimiento se ha conseguido medir con suma precisión. Es por ello que juega un papel fundamental en la formulación de la Termodinámica y, en particular, en el segundo de sus principios que puede leerse ahora como: “la energía sólo fluye libremente desde el cuerpo de mayor temperatura al de menos”.
Y aquí ya nos encontramos con esa “cualidad” de la energía que se mencionaba antes: puede transformase (nunca crease o destruirse) pero NO de cualquier manera, únicamente aquellas evoluciones que aseguren la dirección caliente—frío (mayor--menor temperatura) serán posibles; el resto están prohibidas. Y eso es así por mucho que nos guste lo contrario o por mucho que soñemos con máquinas maravillosas; en nuestro Universo la energía es como se ha dicho antes (en otros - fruto de la imaginación – quizás podría ser posible); todo lo que se aparte de ello no funcionará nunca y entra en el terreno de la mera especulación, de los sueños o la fantasía.
Volvamos a la formulación del segundo principio. Tal como se ha dicho antes queda un poco “insulso”, casi una receta de cocina; en Ciencia, las cosas parece que han de ser un poco más serias. Y es así como aparece el término entropía, que es una variable (nueva) que mezcla las dos características de un sistema (interna – T – y externa – Q), definida como S=Q/T, y que a primera vista no tendría mucho valor conceptual (más allá de su mera definición formal y arbitraria). Pero esto no es así; la entropía es una cualidad interna de un sistema que cuantifica aquella parte de energía de la que NO se puede obtener
una utilidad o trabajo. Así como de la energía potencial se puede obtener algo útil (movimiento) o del rozamiento (algo espurio) calor, de la entropía es imposible obtener nada. Es una medida del grado de “inutilidad” de un sistema, de su estado de degradación, de su desorden en suma (como se deriva de la teoría cinética). Cuanto más ordenado sea un sistema (menor entropía), más utilidad (trabajo) o “rentabilidad” se puede obtener de él desordenándolo; en cambio, cuando el desorden aumenta el sistema se vuelve más ingobernable (muerto) y poco puede sacarse de él. Por tanto, la entropía definiría la utilidad práctica que podríamos obtener de la energía involucrada en la interacción de un cuerpo y su entorno.
El segundo principio nuevamente reformulado en su versión actual establece que “el sistema aislado evoluciona siempre de manera que su entropía aumenta”; al tener la T en el denominador, cuando disminuye la temperatura S aumenta (expresado con cierta “liberalidad”). Siempre se degradará disminuyendo la cantidad de energía utilizable y aumentando la inutilizable; en el límite, se llegaría a un sistema totalmente inútil y yermo (la llamada muerte térmica del Universo, aunque el término “térmico” está aquí mal traído; más bien es “muerte por desorden absoluto”). Esto tiene implicaciones mucho más allá de la mera transición calor—frío. Es aplicable a cualquier sistema y establece que la energía tiene una dirección de evolución: hacia su degradación, entendida esta como la disminución de energía utilizable para realizar trabajo. Define también la llamada “flecha del tiempo”, en el sentido de que sólo son permitidos aquellos procesos en los que la entropía aumente y no los contrarios, por lo que las cosas evolucionan en una dirección y no en otra (el tiempo “corre” hacia delante y no hacia atrás).
Centrémonos ahora en el famoso Diablillo de Maxwell. Fue originalmente propuesto por Maxwell en los años 80 del siglo XIX para expresar una paradoja que violaría el segundo principio y abriría las puertas una nueva generación de móviles perpetuos, los de segunda especie (de hecho el diablillo es uno de esto móviles). Ya sabemos que el diablillo es capaz de seleccionar las moléculas de un gas en función de su velocidad y separarlas, mediante una trampilla, de manera que al final queden en un recinto las de baja velocidad (temperatura) y en el otro las de alta. Al haber un desequilibrio de temperaturas, puede ponerse una máquina térmica entre ambos recintos que suministre trabajo mecánico. Todo ello sin violar el primer principio, aunque contradiciendo el sentido común y la experiencia.
La paradoja se deriva del hecho de que el proceso que realiza el diablillo no tendría que consumir energía. El mecanismo de apertura y cierre de la trampilla, supuesto un proceso reversible, NO consume energía “apenas” (se puede demostrar que mucho menos que la que se obtendría por la máquina térmica de Carnot entre ambos recintos). Por tanto, aparentemente no se violaría nada, pero se obtendría trabajo de manera absurda.
Bien, pues el asunto queda sin solución definitiva hasta los años 50 del siglo XX cuando Leo Szilard (unos de los padres de la energía nuclear y del proyecto Manhattan) formuló la explicación comúnmente aceptada. Cierto es que al diablillo no le cuesta demasiado trabajo abrir la compuerta; por tanto NO
se cansaría por eso. El problema es la información. El pobre infeliz debe saber en todo momento la velocidad de la molécula (algo que es fácil y que tampoco consume prácticamente nada), abrir la trampilla (también casi gratis) y borrar toda la información para reanudar su tarea (algo así como hacer un Reset). Y es este proceso de borrado lo que aumenta la entropía del diablillo (se puede demostrar que k*ln2) y por tanto del sistema, de manera que la suma total de la entropía gas-diablillo es positiva. El diablo se cansa no por abrir o cerrar la trampilla, sino por eliminar la información que tenía después de cada operación. Y esto es otra importante característica de la entropía, su relación con la información. Cuanta más información se tenga sobre algo, mayor orden y menor entropía; al borrar o destruir esa información, aumenta el desorden y por tanto la entropía. Puede decirse que “información es justamente entropía conocida; entropía es justamente información desconocida".
