Mi Universo, Mi ciencia, Mi visión

El comentario de Rukia me hizo pararme a pensar sobre estabilidad, estados de transición y cinética química. ¿Que es más estable? ¿La felicidad o la tristeza? ¿Hay que gastar energía para ser feliz o, al contrario, se desprende energía?

Parece dificil de responder, veamos que podemos conseguir.

Empecemos, como siempre, con unos conceptos básicos:

Cinética química

• La cinética química es una parte de la química que estudia la velocidad de reacción, y como transcurren estas. Que condiciones tienen que darse para que una reacción sea expontánea y la importancia de la termodinamica en todo esto.

Veamos el gráfico de una reacción química cualquiera en la que unos reactivos se ocnvierten en unos productos y representaremos en los ejes E (energía) frente a t (tiempo).

Bien, en las gráficas se ve claramente como aparece un máximo de energía entre reactivos y productos. Ese máximo es lo que se denomina "estado de transición" y hace referencia a una configurción de reactivos y productos que están reaccionando.

Principio de mínima energía:

• Uno de los principios de la termodinámica asegura que los estados estables en el tiempo, son aquellos de mínima energía. Que aquellos estados con energía superior tienden a evolucionar para librarse de esa energía de modo que queden con el menor contenido energético posible.
• Un ejemplo sencillo es imaginar una piedra a la altura de un metro. En ese punto la energía de la piedra será E_p=m*g*h , es decir, energía potencial igual a masa de la piedra (en kilogramos) multiplicado por la aceleración de la gravedad (9,8 m/s²) multiplicado por altura (en metros). Si usamos la unidades entre parentesis, estaremos utilizando el sistema internacional de medidas y la energía vendrá expresada directamente en Julios.
• Si esa misma piedra, estuviera en el suelo: E_p=m*g*h , donde, por estar en el suelo, h=0, por lo que E_p=0. De modo que si está arriba (sin sujección) tiene una energía potencial superior a la que tiene al estar en el suelo.
• El sistema evoluciona (en este caso, cae) hacia un estado de mínima energía.
• Lo mismo ocurré con una piedra redonda en una ladera, con un arco tensado, o conmultidu de otros ejemplo que pueden ponerse.
• E_p=m*g*h hace referencia a un tipo de energía potencial llamada "gravitatoria" que es la energía potencial que se debe a la altura de un cuerpo

Volvamos a las gráficas:

• Reacciones endotérmicas: En la primera gráfica los productos tienen un contenido energético mayor que los reactivos, de modo que al producirse esa reacción, el sistema captará energía (en forma de calor). Es lo que viene repesentado como ∆H>0. El efecto que una persona notaría al producirse la reacción es que el sistema se enfría, lo que es el principio física para las bolsas de hielo instantáneo que se utilizan en deportes. Se dice que la reacción es endotermica.
• Reacciones exotérmicas: En la segunda gráfica, ocurré justo al contrario. Los reactivos tienen más energía de los productos. De modo que, ∆H es negativa y se desprende calor. Se ve claramente en cualquier reacción de combustión. Cuando se quema algo se despredne calor.

El estado de transición:

• El estado de transición lleva asociada una energía de activación (E_a) que es igual a la diferencia de energía entre el estado de transición y los productos
• La energía de activación es la energía que necesitas transmitir de algún modo al sistema para que se alcance el estado de transición y la reacción pueda ir de reactivos de a productos.
• Si los reactivos no son capaces de superar esa barrera energética, no podrán llegar a convertirse en los productos de reacción.
• Esa energía, en el caso de procesos químicos. se suministra mediante calentamiento, radiación, agitación...
• Pero, el estado de transición es un estado de máxima energía, de modo que en cuanto el sistema se encuentra en ese punto, evolucionará hacia abajo de la curva. Dando lugar a los productos, o de nuevo a los reactivos.

Analogías y conclusiones

• La felicidad: Todos tenemos la experiencia de que la felicidad es un estado que dura poco tiempo. Que es dificil de alcanzar pero muy fácil de perder. Que implica estar alterado, lo que conmunmente conocemos como "alterado" o "eléctrico". Todo estos datos me hacen suponer que la felicidad es un estado de alta energía. Un estado de transición.
• La tristeza: La tristeza, tambien es un estado transitorio. Dura más que la felicidad normalmente, aunque en muchos casos porque nosotros mimos nos aferramos a la tristeza y tendemos a magnificarla. No se produce un estado alterado de mucho movimiento, pero el hecho de llorar es un acto en el que se desprende mucha energía. Y normalmente, llorar suele ser una vía de escape para el estado de tristeza. Todos estos datos me hacen suponer que la tristeza es otro estado de transición, distinto al de la felicidad, pero de la misma naturaleza.
• La paz interior: Sin embargo, la paz interior, aunque dificil de lograr, es un estado más duradero. Normalmente alejado de lo que comunmente llamamos felicidad (aunque hay gente que opina que la paz interior lleva a la felicidad, yo los considero dos conceptos distintos, no es lo mismo estar en paz con uno mismo que ser feliz, lo que no implica que la paz interior conlleve un cierto tipo de felicidad distinto al expuesto en el razonamiento). De hecho, los sentimiento fuertes suelen llevar asociada la perdida de la calma y la tranquilidad que conlleva la paz interior. Por todo esto, considero a la paz interior como un mínimo de energía, un estado estable.
• ¿Por qué, entonces, es tan dificil, entonces, conseguir la paz interior? Estamos utilizando ∆H para saber si un proceso tiende a ocurrir o no. Pero como ya explicamos anteriormente, ∆G depende de ∆H y ∆S por lo que un proceso entálpicamente favorable (∆H<0) puede no serlo entrópicamente. Además un proceso termodinamicamente favorable (∆G<0) puede no serlo cineticamente (esto depende de más factores, en lo que no voy a entrar).
• Aun así, esto no es una explicación razonable. Así que vayamos con una: La gente de nuestor alrededor, lo que vemos, lo que hacemos, las cosas que nos ocurren. nuestra conciencia. Todo nos afecta. Y el modo de afectarnos podemos considerarlo, de algún modo, que nos da una cierta cantidad de energía, que nos impide bajar hasta el estado de mínima energía. Por todo esto, aunque la paz interior es el estado de mínima energía es el más dificil de conseguir. Y cualquier modificación que ocurra a nuestro alrededor puede hacer que nuestro contenido energético aumente, lo que nos aleja de ese estado. Imaginad, por tener una imagen de lo que este implica, un huevo dentro de un tarro de agua con sal. Lo normal es que un huevo llegue al fondo, pero si hay una cantidad determinada de sal, el huevo quedará suspendido entre el fondo y el agua, en equilibrio entre la fuerza que lo impulsa hacia arriba (más energía potencial) y la fuerza que lo empuja hacia abajo para librarse de esa energía (peso)
• Ese estado intermedio es el estado habitual de una persona.

Preguntas relacionadas con todo esto Todo esto trae nueva preguntas, que tratare de contestar en sucesivas entradas:

• ¿De dónde viene la energía necesaria para llegar al estado de felicidad o de tristeza?
• ¿Cómo influyen los catalizadores en todo este proceso?
• ¿Qué podemos considerar y como influye el medio de reacción?
• Si estar feliz (o triste) es un gasto energético, ¿cómo es posible que la felicidad (y la tristeza)sea contagiosa?

La entrada anterior demuestra que la perfección es inestable.
Que conseguirla supondría un gasto energético tremendo y, que según la consigamos, esta desaparecerá.
¿Implica esto que debemos dejar de lado la busqueda de la perfección, que perseguir sueños o utopías no tiene sentido?

No, es más, cuanto más alto grado de perfección busquemos, más lejos llegaremos.

Termodinamica

• Ciencia que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de los sistemas físicos a un nivel macroscópico.
• O, dicho de otro modo, el movimiento de calor entre sistemas.

Calor

• El concepto usual de calor (que calor / frío hace) no tiene mucho que ver con la definición física del concepto, como suele ocurrir.
• Energía en transito que fluye entre dos cuerpos con un nivel termico distinto (temperatura)
• El flujo espontáneo de calor se produce desde un cuerpo con mas temperatura a uno con menos temperatura. Este tipo de flujo genera una energía que puede ser aprovechada.
• Este flujo espontáneo puede invertirse si utilizamos una maquina térmica que suministre la energía suficiente para que el calor fluya del cuerpo con menos temperatura al cuerpo con más temperatura. Este es el funcionamiento básico de los frigoríficos
• Criterio de signos: Utilizamos el llamado criterio egoista de signos; esto es: Si la energía sale del sistema y podemos aprovecharla Q>0. Por el contrario, si tenemos que suministrar nosotros esa energñia Q<0
• El calor es una energía, y como tal se mide en Julios (J), calorías (cal) o cualquier otra unidad de energía.

Utopía (U-Topos).

• "U" prefijo de negación
• "Topos" significa lugar
• Por lo tanto utopía, etimologicamente, hace referencia a un no-lugar, a un lugar que no existe.
• Sin embargo, su significado más utilizado es el de una idea o un sueño maravilloso que, por definición, es imposible de alcanzar.

Los principios de la termodinamica, explicados de un modo poco cientifico, implican que

1. No puedes ganar
2. No puedes empatar
3. No puedes abandonar el juego

1. No puedes ganar.
   La termodinamica postula que no se puede obtener más energía de la que hay.
2. No puedes empatar
   No solo eso, si no que siempre que obtengas energía, nunca podrás aprovechar toda esa energía. Es decir, si por un proceso teoricamente podrías obtener 4J de Energía, parte de esos 4J se perderan, y al final solo tendrás 3J de energía útil (utilizable para realizar un tarabajo)
3. No peudes abandonar el juego
   En este universo no pueden violarse las leyes de la termodinamica

Debido a esto es necesario introducir el concepto de rendimiento

Rendimiento

• E_util es la energía que podemos aprovechar para producir un trabajo.
• E_teórica es la energía que podríamos obtener si las perdidas fueran cero.
• Multiplicamos por 100 para tenerlo en tanto por ciento y, como ya hemos dicho, siempre será menor que cien.
• ¿En qué se pierde energía? Por poner dos ejemplos: En el rozamiento de las piezas (se calientan y eso implica un gasto energéitco) o en el ruido que se genera.

¿Y que tiene que ver todo esto con perseguir la perfección, sueños imposibles, utopías y demás?
Un hombre sabio dijo una vez que "Solo puedes llegar tan lejos como sueñes"
La termodinámica nos pone un límite que no podemos alcanzar, ya que si lo alcanzaramos habríamos logrado un rendimiento del 100%. Sin embargo, el límite superior podemos decidir nosotros cual es.

Pongamos un ejemplo numérico. Supongamos que una persona A funciona con un rendimiento del 80% (que por cierto, no está nada mal),

Supongamos que esa persona es una persona normal, sin excesivas pretensiones, y que se propone llegar a una situación que, a modo de ejemplo, escalaremos en 100. Bien, su límite superior estará en 80. nadie le asegura que llegará allí (ya depende del trabajo duro que haga para lograrlo) pero, si no se lo pronpone, jamás llegará a un punto de 110.

Supongamos otra persona B, mucho más idealista, con deseos y sueños enormes. Tanto, que lo que el sueña tenga un valor de 1000. Si su rendimiento es, por las circunstancias que sean, del 60% (bastante menos que A) el limite al que podrá llegar es a 600.

Varias veces superior al de A, aunque si rendimiento es bastante inferior. Solo, porque el pretende llegar mucho más lejos. Por supuesto, llegar a 600 es mucho más dificl que llegar a 80. Pero si B está totalmente convencido de llegar a 1000, mientras no pierda de vista ese sueño, su limité será 600. Y puede que, por el camino, encuentre la forma de aumentar su rendimiento

¿Quien sabe hasta donde podemos llegar en nuestras vidas? ¿Quien decide lo que es posible o imposible? Lo que no debemos hacer es coartar nuestra libertad, nuestros sueños. Y esto sin olvidar que mientras perseguimos algo practico (ej, sacar una carrera para ser una persona de provecho) siempre conseguimos algún beneficio menor, que no esperamos, pero que no podemos menospreciar (las amistades conseguidad en el proceso, por ejemplo)

En un universo regido por la leyes de la termodinámica la perfección no puede existir, al menos no como algo estable y duradero en el tiempo.
Os presento a mi concepto favorito de la termodinámica, y puede que de la ciencia en general.
Aquí la entropía, aquí unos lectores.

Entropía (S):

• Magnitud que mide el grado de desorden* de un estado cualquiera.
• Se mide en J/K (Julios partido por Kelvin).
• Aumenta al aumentar al desorden.
• Se considera que tiene un valor 0 en el cero absoluto (temperatura de cero grados Kelvin que se supone imposible de alcanzar. Equivale, aproximandamente a -273ºC)
• Es una magnitud de estado.

Pero en realidad, a efectos practicos lo que se utiliza es el incremento de entropía.

Incremento de entropia (ΔS)

• Por definición todo incremento en una magnitud se identifica como el valor de esa magnitud en el estado final menos el valor de esa magnitud en el estado inicial, de modo que ΔS=S_f-S_i
• Por ser magnitud de estado el ΔS entre los estados 1 y 2 es el mismo independientemente del proceso que se utilice para ir del estado 1 al 2.
• Si el desorden aumenta, implica que el estado 2 tiene más entropía que el estado 1, por lo que: ΔS>0.
• Con un razomaniento analogo, en el momento en el que lo que se produce es un ordenamiento, ΔS<0.
• En todo proceso ΔS_universo>0. Esto implica, que si nosotros ordenamos una pequeña porción del espacio (por ejemplo, congelando agua para convertirlo en hielo) el resto del universo aumentara su entropía de tal modo que:
• ΔS_universo=ΔS_sistema+ΔS_alrededores>0.
• Este último punto es muy importante ya que implica que el desorden, hagamos lo que hagamos, siempre aumenta, lo que se conoce como teoría del caos.

*¿Qué entendemos por desorden?
Aunque sea un concepto muy intuitivo, es necesario darle una definición que nos permita, al menos de forma cualitativa, definir cuando aumenta y cuando disminuye, y poder predecir, dados dos estados, en cual la entropía es mayor.

• Hay más desorden en aquellos sistema cuyas particulas pueden moverse mas libremente.
• Esto implica que los sólidos tienen un desorden menor que los líquidos y estos que los gases.
• El desorden aumenta en procesos que nos impiden diferenciar entre dos objetos que antes estaban perfectamente clasificados.
• Ejemplo típico: La erosión. Cuando una montaña no ha sufrido erosión se puede diferenciar perfectamente que partículas pertenecen a la cima de la montaña y cuales al valle. Sin embargo, una vez que la erosión actúa, todo tiene la misma altura y no se puede diferenciar unas de otras.

Nos falta una última magnitud a tener en cuenta, la energía libre de Gibbs, aunque directamente solo consideraremos su incremento.

Incremento de la Energía libre de Gibbs (ΔG):

• La energía libre de Gibbs, a los efectos que nos importan para el razonamiento actual, es un parámetro que indica cuando una reaccion (o proceso en general) es espontáneo.
• ΔG<0 el proceso es espontánea, por lo que ocurre sin ninguna accion externa
• ΔG>0 el proceso ocurrirá en la dirección contrara al expresado
• ΔG=0 el proceso esta en equilibrio dinámico, lo que indica que ocurre hacia la derecha y hacia la izquierda a la misma velocidad, de modo que, globalmente, es como si no ocurriera

• Ejemplo: 1/2 N2 + 3/2H2 --> NH3 {Nitrogeno + Hidrógeno = Amoníaco}
• ΔG<0: El nitrógeno y el hidrógeno se combinan para dar amoniaco
• ΔG>0: El amoníaco se descompondrá para dar nitrógeno e hidrógeno
• ΔG=0: El proceso se detiene (técnicamente el amoniaco se crea y se descompone a la misma velocidad, con lo que globalmente no ocurre nada)

• ΔG= ΔH – TΔS
• ΔH, o incremento de entalpía es una medida de la energía que se libera en el proceso
• T es la temperatura, y se mide en grados Kelvin, por lo que no existe una T negativa
• Conviene tener en cuenta que ΔS será tanto más grande cuanto mayor sea la diferencia, de modo que un cambio relativamente grande en un medio ya muy desordenado de por si, no ofrece mucho cambio, por lo que ΔS será relativamente pequeña. Por el contrario, un cambio relativamente pequeño en un medio muy ordenado, provoca un cambio muy grande, por lo que ΔS será grande.

Teniendo todo esto en cuenta, volvamos al inicio de todo:

La perfección es termodinámicamente inviable debido a su baja estabilidad

Consideremos el proceso

y la expresión

Si tenemos en el estado inicial un estado que implique la perfección absoluta, ello implica que ese estado está perfectamente ordenado, por lo que desordenar, aunque sea minimamente ese estado, provocará un aumento muy grande de entropía, tanto que ΔG será negativo, será un proceso claramente espontáneo.

Si consideramos el proceso inverso:

Tendríamos que vencer una entropía enormemente negativa, lo que al multiplica por –T daría un termino muy grande de signo positvo, por lo que necesitaríamos administrar al sistema una energía muy alta para que funcionara. Pero, al lograr un estado perfecto, tendríamos otra vez un caso como el primero, por lo que el equilibrio

Está claramente desplazado hacia la derecha, esto es, la perfección tiende a evolucionar en proceso hacia la imperfecciónm