Comprender la Entropía: Un Profundización en la Termodinámica y la Teoría de la Información

El video comienza abordando la pregunta de qué es la entropía. Comienza discutiendo el concepto de energía, definida como la capacidad de realizar trabajo. Sin embargo, la definición se vuelve ambigua ya que el trabajo es una forma de energía, lo que lleva a una discusión filosófica. La energía se conoce a través de sus formas como calor, movimiento y electricidad. Puede ser relativa, como la energía térmica dependiendo de las escalas Celsius o Fahrenheit.

El concepto de energía introducido por la primera ley de la termodinámica y el concepto de entropía introducido por la segunda ley son discutidos. Tanto la energía como la entropía se consideran aditivas. Mientras que la primera ley introdujo la energía, no pudo definirla, y de manera similar, la segunda ley introdujo la entropía sin una definición clara.

En 1865, Rudolf Clausius descubrió la similitud entre la energía y la entropía, lo que lo llevó a acuñar el término 'entropía' a partir de la palabra griega para transformación. El símbolo 'S' para la entropía fue elegido por Clausius para que se asemejara a la energía. El cambio neto en la entropía total del universo siempre es mayor que cero, lo que indica un aumento en el desorden con el tiempo.

El término 'Sturm und Drang' se hace referencia, que significa 'tormenta y estrés' en alemán, que fue un movimiento cultural en la Alemania de finales del siglo XVIII. Impactó en la literatura y la cultura, sirviendo como precursor del Romanticismo. Aunque no hay confirmación oficial, la teoría sugiere que Clausius pudo haber elegido la letra 'S' para la entropía debido a las intensas emociones y rebelión asociadas con el movimiento Sturm und Drang.

La entropía se discute como una propiedad termodinámica y una función de estado, similar a la entalpía, la energía interna y el volumen específico. Para un ciclo de Carnot reversible, la integral de circuitos cerrados de la razón de la diferencia de calor a la temperatura absoluta es cero. En un ciclo irreversible, la misma integral es distinta de cero, lo que indica un cambio en la entropía.

La entropía se define como el cociente de la transferencia de calor sobre la temperatura, denotado como dq/dt. Representa la generación de desorden en un sistema durante cualquier proceso de transferencia de calor, colisión inelástica o cuando hay fricción presente. La energía térmica, caracterizada por el movimiento irregular de partículas, tiende a transformarse en calor, siendo la entropía una medida del desorden molecular en un sistema.

A medida que la temperatura aumenta, hay un mayor movimiento molecular que implica translación, rotación y vibración, lo que conduce a un incremento en la entropía. Esto se puede observar en un sistema cerrado donde las moléculas, inicialmente moviéndose lentamente, ganan energía cinética y se mueven más rápido cuando se agrega calor, lo que resulta en un aumento del desorden y la incertidumbre.

Por el contrario, cuando se elimina el calor de un sistema, causando una disminución en la temperatura, la intensidad de la vibración molecular disminuye. Enfriar el sistema a -273.16 grados Celsius resulta en una quietud molecular, donde no existe un 0% de incertidumbre ya que la velocidad y posición de cada molécula son conocidas. Este estado se alinea con la tercera ley de la termodinámica, que establece que en el cero absoluto, un sistema alcanza una entropía de cero.

Ludwig Boltzmann, defensor de la teoría atómica, formuló la icónica ecuación de la entropía probabilística, estableciendo la termodinámica estadística. Su ecuación, que involucra una constante física 'K' para las unidades de entropía y el término probabilístico 'W', reveló que la irreversibilidad no es una ley universal. El trabajo de Boltzmann resaltó que el aumento de la entropía es probabilístico, permitiendo la disminución espontánea de la entropía, aunque con probabilidades infinitesimalmente pequeñas.

El concepto de tiempo de recurrencia, que indica la duración para que un evento altamente improbable vuelva a ocurrir, hace que ciertos eventos sean prácticamente imposibles de observar para los humanos debido a sus escalas de tiempo extremadamente largas. Nuestro tiempo de observación limitado puede llevarnos a percibir la entropía como siempre creciente, ya que estamos acostumbrados a los efectos cálidos del fuego y el sol, en lugar de su potencial para enfriar o disminuir la entropía.

La Segunda Ley de la Termodinámica establece que los eventos con una disposición desordenada son más probables que los ordenados. La naturaleza tiende hacia el desorden si se le permite actuar libremente. Gibbs generalizó la ecuación de Boltzmann, enfatizando que la entropía de un macroestado es la suma de las probabilidades de sus microestados.

En 1948, Claude Shannon formuló una expresión para la teoría de la información similar a la fórmula de entropía termodinámica de Gibbs. La entropía de Shannon, representada por 'h' y medida en bits, se basa en el logaritmo natural de dos debido a las posibilidades binarias. Su trabajo sentó las bases para la entropía de la información moderna.

Las teorías actuales de la física ven al Universo como compuesto por materia, energía e información. Inspirado por la termodinámica de los agujeros negros, el principio holográfico sugiere que la información es un ingrediente fundamental del Universo. Algunos físicos, como Wheeler, proponen que la información es el único constituyente del cosmos.

Roland Landauer propuso que las leyes de la física pueden ser interpretadas como programas ejecutados por una vasta computadora. Esta perspectiva se alinea con la noción de que la información juega un papel crucial en la comprensión de los mecanismos fundamentales del mundo físico.

El orador recomienda novelas y películas centradas en la entropía, como 'El Origen' de Dan Brown, 'La Última Pregunta' de Isaac Asimov y la película 'Tenet' de Christopher Nolan. Estas obras ofrecen narrativas atractivas que exploran el concepto de entropía de maneras intrigantes.

La entropía se puede entender como una tendencia probabilística en el universo a dispersar concentraciones de energía, buscando lograr ambientes o sistemas homogéneos. Refleja la tendencia natural hacia el desorden y el equilibrio en sistemas físicos.