¿como varia la entropia del universo?

La entropía del universo es cero

La segunda ley de la termodinámica es una de esas desconcertantes leyes de la naturaleza que surgen simplemente de las reglas fundamentales. Dice que la entropía, una medida del desorden en el Universo, debe aumentar siempre en cualquier sistema cerrado. ¿Pero cómo es posible que nuestro Universo actual, que parece organizado y ordenado con sistemas solares, galaxias y una intrincada estructura cósmica, se encuentre de alguna manera en un estado de mayor entropía que justo después del Big Bang? Eso es lo que quiere saber nuestro seguidor de Patreon, Patrick Dennis:

El Universo primitivo estaba lleno de materia y radiación, y era tan caliente y denso que los quarks y… [+] gluones presentes no se formaron en protones y neutrones individuales, sino que permanecieron en un plasma de quarks y gluones.

Y sin embargo, si pensamos en el Universo primitivo, ¡parece un estado de alta entropía! Imagínese: un mar de partículas, incluyendo materia, antimateria, gluones, neutrinos y fotones, todas ellas zumbando a energías miles de millones de veces superiores a las que incluso el LHC puede obtener hoy en día. Eran tantas -quizás 10^90 en total- que todas ellas estaban apiñadas en un volumen tan pequeño como un balón de fútbol. Justo en el instante del Big Bang caliente, esta pequeña región con estas partículas tremendamente energéticas se convertiría en todo nuestro Universo observable durante los siguientes 13.800 millones de años.

Aumenta la entropía del universo

Los científicos dicen que la entropía de nuestro universo está aumentando a medida que se expande y que nuestro universo se está enfriando gradualmente desde el momento de su nacimiento. Si algo se enfría cada vez más, ¿cómo puede volverse más aleatorio (aumento de la entropía) con el paso del tiempo? Según las leyes de la termodinámica, a temperatura cero absoluta, la entropía es cero. Eso significa que a medida que bajamos y descendemos en la escala de temperaturas la entropía debe disminuir, pero ¿por qué no ocurre en el caso de nuestro universo?

Intuitivamente, puedes decir que, si tienes partículas dentro de una caja, y aumentas el tamaño de la caja, puedes ordenarlas de más formas; por tanto, la entropía aumenta. El tercer postulado te dice que nunca llegarás a 0K, por lo que puedes tener más y más entropía sin que se produzca una paradoja. La densidad de entropía, por otra parte, podría estar disminuyendo.

Pero, ¡cuidado! La termodinámica está construida asumiendo que no hay interacciones a larga distancia, pero la evolución del universo está controlada por la gravedad, que tiene un alcance infinito. Por lo tanto, no se puede aplicar ingenuamente ningún teorema termodinámico al universo en su conjunto. Se puede argumentar físicamente la corrección de muchos de los postulados, pero se está en un terreno inestable.

Cambio de entropía en un proceso irreversible

La entropía es una de las pocas magnitudes de las ciencias físicas que requieren una dirección particular para el tiempo, a veces llamada flecha del tiempo. A medida que se avanza en el tiempo, según la segunda ley de la termodinámica, la entropía de un sistema aislado puede aumentar, pero no disminuir. Así, la medición de la entropía es una forma de distinguir el pasado del futuro. En los sistemas termodinámicos que no están aislados, la entropía puede disminuir con el tiempo, por ejemplo, los sistemas vivos en los que la entropía local se reduce a expensas de un aumento del entorno (lo que da lugar a un aumento neto de la entropía), la formación de cristales típicos, el funcionamiento de un frigorífico y dentro de los organismos vivos.

Al igual que la temperatura, a pesar de ser un concepto abstracto, todo el mundo tiene un sentido intuitivo de los efectos de la entropía. Por ejemplo, suele ser muy fácil distinguir la diferencia entre un vídeo que se reproduce hacia delante o hacia atrás. Un vídeo puede mostrar un fuego de leña que derrite un bloque de hielo cercano, reproducido al revés mostraría que un charco de agua convirtió una nube de humo en madera sin quemar y se congeló en el proceso. Sorprendentemente, en ambos casos la gran mayoría de las leyes de la física no se rompen con estos procesos, siendo una notable excepción la segunda ley de la termodinámica. Cuando una ley de la física se aplica igualmente cuando el tiempo se invierte, se dice que muestra una simetría T; en este caso, la entropía es lo que permite decidir si el vídeo descrito anteriormente se reproduce hacia delante o hacia atrás, ya que intuitivamente identificamos que sólo cuando se reproduce hacia delante la entropía de la escena aumenta. Debido a la segunda ley de la termodinámica, la entropía impide que los procesos macroscópicos muestren simetría T.

Determinar el signo del cambio de entropía para el sistema y el universo

La segunda ley también predice el fin del universo: implica que el universo terminará en una “muerte por calor” en la que todo está a la misma temperatura. Este es el último nivel de desorden; si todo está a la misma temperatura, no se puede realizar ningún trabajo y toda la energía acabará siendo el movimiento aleatorio de átomos y moléculas.

Una medida del nivel de desorden de un sistema es la entropía, representada por S. Aunque es difícil medir la entropía total de un sistema, generalmente es bastante fácil medir los cambios en la entropía. Para un sistema termodinámico involucrado en una transferencia de calor de tamaño Q a una temperatura T , un cambio en la entropía puede ser medido por:

La segunda ley de la termodinámica puede enunciarse en términos de entropía. Si se produce un proceso reversible, no hay cambio neto en la entropía. En un proceso irreversible, la entropía siempre aumenta, por lo que el cambio de entropía es positivo. La entropía total del universo aumenta continuamente.

Existe una fuerte conexión entre la probabilidad y la entropía. Esto se aplica tanto a los sistemas termodinámicos, como un gas en una caja, como al lanzamiento de monedas. Si tienes cuatro monedas, por ejemplo, la probabilidad de que las cuatro caigan cara arriba es relativamente pequeña. Es seis veces más probable que salgan dos caras y dos colas. El estado dos caras – dos colas es el más probable, muestra el mayor desorden y tiene la mayor entropía. Cuatro caras es menos probable, tiene el mayor orden y la menor entropía. Si se lanzaran más monedas, sería aún menos probable que salieran todas caras y más probable que se obtuviera casi el mismo número de caras que de colas.