El Cristal que se Alimenta de Entropía | ¿Qué es la Entropía?
Summary
TLDREste video explora cómo la entropía, a menudo asociada con el desorden y el caos, en realidad demuestra un proceso统计向 un estado de mayor probabilidad y orden. A través de ejemplos como el de un coloide formando cristales y el comportamiento de los imanes, se explica cómo los sistemas naturales tienden a evolucionar hacia estados de alta entropía, maximizando la cantidad de microestados posibles. Esta interpretación统计de la segunda ley de la termodinámica desafía la noción convencional de que la entropía siempre aumenta en un sentido de desorden creciente, y muestra que la entropía es una herramienta统计al para entender la organización y la evolución de los sistemas físicos.
Takeaways
- 🌀 La entropía se refiere a la cantidad de desorden en un sistema y a menudo se asocia con el aumento del caos.
- 📈 La creencia común es que la entropía siempre aumenta, lo que se relaciona con la segunda ley de la termodinámica.
- 🧪 El video presenta un experimento con coloides donde las partículas se organizan en patrones despite increasing entropy.
- 🔄 A pesar del aumento de la entropía, los sistemas pueden pasar de un estado de orden a uno de desorden aparente.
- 📊 El desorden no es lo mismo que la entropía; la entropía es una medida del número de microestados posibles en un estado macroscópico.
- 🔧 La termodinámica estadística nos permite analizar los sistemas en términos de sus componentes más pequeños y sus posibles configuraciones.
- 🧲 Los imanes y sus propiedades magnéticas son un buen ejemplo de cómo las micro interacciones pueden dar lugar a un comportamiento macroscópico.
- 🌡️ La temperatura puede afectar la distribución de los mini imanes, lo que a su vez afecta la entropía del sistema.
- 🔄 Los sistemas tienden a evolucionar hacia estados macroscópicos más probables, que a menudo tienen una mayor cantidad de microestados.
- 💎 La formación de cristales es un ejemplo de cómo un aumento en el orden puede coincidir con un aumento en la entropía a nivel microscópico.
- 🔮 La comprensión de la entropía y su papel en la termodinámica es crucial para el avance en áreas como la bioquímica y la física de la materia condensada.
Q & A
¿Qué es la entropía según se describe en el vídeo?
-La entropía es una medida del número de microestados posibles que puede tener un sistema en un estado macroscópico determinado. Se asocia con el desorden o el orden de un sistema y tiende a aumentar con el tiempo, lo que significa que los sistemas tienden a evolucionar hacia estados más probables con más microestados posibles.
¿Cómo se relaciona la entropía con la segunda ley de la termodinámica?
-La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta en tiempo. Esto significa que los sistemas tienden a evolucionar hacia estados de mayor entropía, es decir, hacia estados que tienen más microestados posibles y son más probables en términos de probabilidad.
¿Qué se observa en el experimento con los frascos de coloides?
-En el experimento con los frascos de coloides, se observa que las diminutas bolas de polimetilmetacrilato, que inicialmente están dispersas, eventualmente se organizan en patrones cristalinos y estructuras organizadas sin ninguna fuerza externa o estímulo. Esto desafía la noción de que la entropía siempre conduce al caos y el desorden, mostrando que los sistemas pueden pasar de estados de desorden a orden sin intervención externa.
¿Cómo se puede simular el comportamiento de los coloides en un experimento?
-Se puede simular el comportamiento de los coloides colocando una cantidad suficiente de bolas macizas en una caja y dañándolas con una caña. Con el tiempo suficiente, se puede observar cómo las bolas pasan de un estado de desorden a uno de orden, formando patrones organizados.
¿Qué se aprende del comportamiento de los imanes y la entropía?
-El comportamiento de los imanes muestra que, aunque los mini imanes pueden apuntar en cualquier dirección, la tendencia natural es que se alineen en el mismo sentido debido a la influencia del campo magnético de sus vecinos. A medida que la temperatura aumenta, las fluctuaciones térmicas causan que los mini imanes cambien aleatoriamente de dirección, lo que lleva a un aumento en la entropía y a un estado de mayor desorden.
¿Qué es la interpretación de Goldman sobre la entropía?
-La interpretación de Goldman sobre la entropía es que es una forma de hablar del número de microestados asociados a un estado macroscópico. Esta interpretación ayuda a entender cómo los sistemas evolucionan hacia estados de mayor entropía, que son estados más probables con más microestados posibles.
¿Por qué la formación de un cristal de esferas duras es un evento ordenado?
-La formación de un cristal de esferas duras es un evento ordenado porque al organizarse en un patrón, las esferas optimizan el espacio entre ellas, eliminando microestados en los que podrían chocarse. Esto aumenta el número de microestados posibles y, por lo tanto, la entropía, ya que hay más formas de organizar las esferas sin chocar entre sí.
¿Cómo la entropía se relaciona con la energía de un sistema?
-La entropía y la energía son dos aspectos importantes que influyen en el destino de los sistemas. Mientras la entropía se refiere al número de microestados posibles, la energía se refiere al nivel de actividad o el grado de desorden en un sistema. Un sistema tiende a minimizar su energía y maximizar su entropía, lo que puede llevar a un equilibrio entre orden y desorden.
¿Qué implica la entropía para la bioquímica y la formación de estructuras como el ADN?
-La entropía tiene implicaciones significativas en la bioquímica, ya que afecta la forma en que las moléculas como el ADN o las proteínas se organizan y interactúan. Un mayor número de microestados posibles puede facilitar la formación espontánea de estructuras complejas, que son fundamentales para los procesos biológicos y la vida en general.
¿Qué rol juegan las interacciones y fuerzas en la evolución de un sistema?
-Las interacciones y fuerzas entre las partículas en un sistema juegan un papel crucial en su evolución. Aunque la entropía y la probabilidad son factores importantes, estas interacciones pueden dominar el comportamiento del sistema, empujándolo hacia un macroestado específico que no necesariamente es el más probable en términos de microestados.
¿Qué se puede inferir del comportamiento de los sistemas en términos de orden y desorden?
-El comportamiento de los sistemas demuestra que el orden y el desorden no son conceptos estrictos y pueden cambiar dependiendo del contexto. Un sistema puede pasar de un estado aparentemente desordenado a uno ordenado, maximizando su entropía y optimizando su energía, lo que muestra que la entropía no es simplemente un indicador de desorden, sino una medida de la diversidad de estados posibles.
Outlines
🔍 La Mysterious Entropía
Este párrafo introduce la entropía como la cantidad de desorden en un sistema, que siempre tiende a aumentar según la segunda ley de la termodinámica. Se utiliza el ejemplo de un coloide formado por pequeñas bolas de polímero flotando en un líquido para ilustrar cómo, a pesar de que parece que el sistema está aumentando su desorden, en realidad está formando patrones intrincados y estructuras ordenadas sin ninguna fuerza externa. Esto desafía la percepción común del caos y la entropía.
🎲 El Juego de la Entropía
En este segmento, se utiliza el ejemplo de un imán y sus mini imanes (átomos y partículas) para explicar la entropía de una manera más detallada. Se describe cómo el magnetismo de un imán puede cambiar debido a las fluctuaciones térmicas, que afectan la orientación de sus mini imanes. A medida que aumenta la temperatura, las fluctuaciones térmicas hacen que el sistema tienda a disminuir su campo magnético total, mostrando cómo la entropía aumenta a medida que el sistema se aleja de un estado de baja entropía (donde todos los mini imanes apuntan en la misma dirección) hacia un estado de alta entropía (donde hay una variedad de direcciones aleatorias).
🔬 La Entropía y la Orden
Este párrafo desafía la noción común de que la entropía está relacionada con el desorden, argumentando que la entropía es una propiedad macroscópica y no microscópica. Se explica que la entropía se refiere al número de microestados posibles para un estado macroscópico, y que un sistema tiende a evolucionar hacia el estado macroscópico que tiene el mayor número de microestados posibles. Se utiliza el ejemplo de esferas duras formando un cristal para ilustrar cómo el orden puede aumentar la entropía, ya que hay más formas de organizar las esferas en un patrón ordenado que en un desorden aleatorio. Además, se sugiere que la entropía es fundamental para comprender procesos complejos en la vida y la bioquímica.
Mindmap
Keywords
💡Entropía
💡Segunda ley de la termodinámica
💡Coloides
💡Cristal coloidal
💡Microestados y macroestados
💡Imanes
💡Ferromagnetismo
💡Fluctuaciones térmicas
💡Probabilidad
💡Energía
Highlights
La entropía es la cantidad de desorden de un sistema y tiende a aumentar, según la segunda ley de la termodinámica.
El universo tiende al caos, pero hay situaciones en las que el desorden parece dar lugar a patrones organizados, como en el caso de los coloides.
Los frascos con coloides muestran un cambio de color después de un día de reposo, lo que indica la aparición de un patrón en el líquido.
A pesar de la creciente concentración, las bolitas de polimetilmetacrilato en el coloide se colocan a la misma distancia, formando una estructura.
La luz dispersándose en el coloide activa solo las frecuencias que encajan con el patrón nacido en el líquido.
Con la concentración de bolitas, se forman estructuras cristalinas y vidriosas, desafiando la gravedad y la lógica tradicional.
El experimento con los frascos desafía la creencia de que la entropía siempre conduce al desorden, mostrando que puede también导向秩序。
Los imanes y sus propiedades magnéticas son un buen ejemplo para entender la entropía y su relación con micro y macro estados.
Los mini imanes, o simcitos, que forman los imanes macroscópicos, pueden apuntar en diferentes direcciones, pero su orientación es influenciada por la energía térmica.
La entropía se relaciona con el número de microestados posibles asociados a un macro estado, donde un estado de baja entropía tiene pocos microestados y un estado de alta entropía tiene muchos.
El imán ferromagnético muestra un comportamiento errático cuando se le aplica calor, lo que se puede explicar a través de la entropía y las fluctuaciones térmicas.
La entropía no es una medida del orden o desorden subjetivo, sino de los microestados asociados a un macro estado macroscópico.
La formación de un cristal de esferas duras es un ejemplo de cómo un sistema evoluciona hacia un macro estado con un mayor número de microestados posibles.
El orden puede favorecer la optimización de espacio y la maximización del número de microestados, como se ve en la cristalización de esferas.
La entropía y la energía son las fuerzas que gobiernan la evolución de los sistemas, siendo fundamentales para entender la vida y la formación de estructuras.
El conocimiento de la entropía es esencial para entender procesos complejos en la bioquímica y la formación espontánea de virus y adn.
El Instituto de Física de la Materia Condensada (IFIMAV) estudia la entropía para mejorar simulaciones y entender la ordenación de la materia en sistemas complejos.
La entropía desafía la percepción común de que el caos y el desorden son sinónimos, mostrando que puede contribuir a la formación de estructuras ordenadas.
Transcripts
si habéis clicando en este vídeo
seguramente es porque habéis escuchado
cosas como la entropía es la cantidad de
desorden de un sistema la entropía
siempre aumenta y el universo tiende al
caos es muy habitual toparse con estas
consignas y por supuesto la intro piglia
global siempre sube es la segunda ley de
la termodinámica pero lo del desorden o
sencillamente echadle el ojo a esto lo
que veis en estos frascos es un coloides
un líquido en el que flotan diminutas
bolitas de polimetilmetacrilato cada
frasco con mayor concentración si
pudiéramos ver qué pasa dentro del
líquido veríamos a las bolitas chocar
unas con otras en un gigantesco pinball
nada extraño los investigadores dejaron
reposar los frascos pero cuando había
pasado un día notaron que algo había
ocurrido cada frasco se había tornado de
un color diferente no podía ser una
reacción química ni nada por el estilo
las bolas eran estables esto implicaba
algo sorprendente un patrón estaba
naciendo en el líquido las bolitas se
estaban colocando a la misma distancia
unas de otras a mayor concentración de
bolitas más
pujadas estaban y la luz al dispersarse
solo las frecuencias que encajaban con
el patrón lo estaba activando a los días
siguientes ya se había creado estructura
podemos ver formas cristalinas y
vidriosas aparecer dentro de los botes y
podrías pensar que esto es simplemente
de posición que las bolas han ido
cayendo al fondo del frasco y se han ido
colocando correctamente pero fíjate en
este bote ese vidrio se ha formado
arriba del frasco desafiando la gravedad
esto es flipante sin ninguna fuerza sin
ninguna estimulación externa con solo
dejarlas a su bola unos días él coloide
se colocó en una estructura organizada
formó un cristal un cristal coloidal de
esferas duras y esto también se puede
simular metes una cantidad suficiente de
bolas macizas en una caja le das caña y
si esperas el tiempo suficiente puedes
llegar a ver como ellas solitas pasan de
un estado de rave a colocarse en un
patrón del desorden al orden vaya vaya
donde está el caos de la entropía ahora
en este vídeo vamos a explicar cómo
demonios es esto
y porque tu amigo el físico se equivoca
al pensar que esto es una violación de
la segunda ley de la termodinámica
de hecho la confirma pero no se lo
tengáis muy en cuenta hasta finales de
los 50 casi nadie creía que esto era
posible para ello tenemos que ir hasta
el corazón de la entropía a la
interpretación que goldman nos legó este
vídeo es el primero de una colaboración
con el ifimav el instituto de física de
la materia condensada en la que
hablaremos de la interesantísima y
muchas veces olvidada ciencia detrás de
los materiales y para empezar vamos a
cruzar el umbral que separa la
termodinámica de la física estadística
dejaremos de visualizar los sistemas
como un todo y pasaremos a analizar los
montones y pequeñísimos elementos que
los forman y creo que para revelar la
identidad de la enigmática entropía no
hay mejor sistema que un imán los imanes
tienen propiedades magnéticas porque
están formados por imanes más pequeñitos
mini imanes digamos esto simoncitos son
realmente los átomos y las partículas
que forman el material del imán pero
para no liarnos vamos a dejarlo en que
son simplemente mini
estos mini manes pueden apuntar hacia
donde quieran pero una vez más para no
complicar el asunto vamos a suponer que
sólo tienen dos opciones o apuntar hacia
arriba o apuntar hacia abajo esta red de
imán cit os puede disponerse como quiera
en una infinidad de posibles
configuraciones de posibles micro
estados y claro está libertad en la
orientación cambia el magnetismo que
tiene todo el conjunto los mini manes
son tan diminutos que nuestros aparatos
sólo pueden medir la suma de todo el
grupo es decir qué magnetismo presenta
todo el imán por ejemplo si este mini
man apunta al contrario que su compañero
sus campos magnéticos prácticamente se
van a cancelar sin embargo se apuntan en
la misma dirección sus campos magnéticos
se reforzarán sumas los que van igual
restas los que van al contrario y así
obtienes el campo magnético que podemos
medir desde fuera
este es el macro estado y tiene un
cierto valor ahora nada en la naturaleza
está quieto y los mini manes tampoco
pueden espontáneamente cambiar la
dirección a la que apuntan en los
materiales ferromagnéticos todos suelen
quedarse correctamente
ya que cada mini man es influenciado por
el campo magnético de su vecino pero
sube la temperatura tal energía eso sí
manzi tos y las fuerzas entre ellos no
serán lo bastante intensas ahora cada
uno se quedará como está o invertirá su
dirección aleatoriamente con la misma
probabilidad son las fluctuaciones
térmicas así que pregunta si yo parto
con un imán con 12 unidades de campo
magnético y le prendo fuego que le va a
pasar como va a cambiar su campo
magnético y la posición de sus mini
manes pensémoslo como un juego de mesa
un juego en el que cada casilla
representa los distintos estados
internos del imán un tablero con miles
de casillas nosotros comenzaremos en la
casilla en la que todos los mini manes
apuntan al mismo lado pero le hemos dado
calor al asunto y el estado va a cambiar
en el siguiente instante de tiempo el
imán saltará de aquí a otra casilla no
sabemos a cuál todas son igual de
probables hay la misma probabilidad de
que pase este salto o de que pase este y
una vez esté en la nueva casilla el
sistema volverá a saltar a otra y así
indefinidamente
viajando erráticamente por el tablero
parece que no podemos decir nada más al
respecto pero ojo nos estamos fijando
todo el rato en lo pequeñito en cómo es
el micro estado y si analizamos qué
ocurre con el macro estado ponemos en la
situación en la que medimos el imán y el
medidor nos marca a tope al máximo
magnetismo alcanzable hay 12.000 imanes
y medimos 12 unidades de campo magnético
pregunta cómo están colocados los imanes
dentro bueno si hubiera sólo uno dado la
vuelta el campo magnético ya no sería el
máximo posible luego esto quiere decir
que todos los mini manes deben estar
apuntando al mismo lado no hay más que
una configuración posible pero esta es
una situación rara porque qué pasaría si
midiéramos el campo magnético de la
pieza y viéramos que es de 10 unidades
de campo magnético pues que la cosa ya
no es tan fácil 10 unidades quiere decir
que uno de los mini manes está dado la
vuelta y está cancelando otro ahora
dónde está ese mínima han invertido
porque podría estar aquí
o aquí o aquí hay 12 micro estados
posibles que dan lugar al mismo macro
estado y la cosa se complica si seguimos
bajando si mido 8 unidades eso quiere
decir que hay 2 mini manes invertidos
que podrían estar colocados así así así
así y muchas formas más 66 en concreto
hay 66 micro estados que dan lugar a un
macro estado de 8 unidades y el summum
de esto se lo lleva el macro estado con
0 unidades en la que la mitad de los
imanes está hacia arriba y la otra hacia
abajo cancelándose hay montones de
maneras de tener este fifty-fifty casi
1000 micro estados vamos que la
tendencia es clara
cuanto menor campo magnético detecto
mayor número de micro estados encuentro
hay más formas de colocar los mini manes
tal que el resultado sea como una simple
piedra frente a que sea algo que se pega
a tu nevera y este hecho es esencial
solo tenemos que clasificar las casillas
del juego en esta tabla hay una sola
casilla con 12 unidades de campo
magnético hay 12 casillas con 10
unidades 66 con 8 y así sucesivamente
la manera obtenemos esta especie de
pirámide y se puede ver que hay un
comportamiento que se repite lo más
seguro es que salte a los niveles
inferiores y que normalmente no vuelve a
subir tal vez un poquito pero casi
siempre se vuelve a bajar y esto es por
una razón muy sencilla cómo saltar a
cualquier casilla es igual de probable y
hay chorrocientas casillas en la base de
la pirámide lo más seguro es que el
salto se produzca hacia los niveles
inferiores y no a los superiores puede
suceder un salto de uno inferior a uno
superior sí claro pero es más improbable
sencillamente porque hay menos casillas
hay menos microestados en concreto la
probabilidad de saltar o quedarte en el
macro estado con campo magnético nulo es
de un tercio mientras que la
probabilidad de volver a tener un campo
magnético máximo es de un 0 2 % imaginad
la situación cuando no tienes 12 mini
manes sino millones de millones como en
un imán real la probabilidad de
mantenerlo todo alineado es un número
completamente ridículo en definitiva que
si yo parto con un imán con un macro
estado
alto campo magnético las fluctuaciones
térmicas van a hacer que ese campo
magnético d crezca lo más seguro
moviéndose en torno a cero podéis
un imán ferromagnético y un mechero y
hacer la prueba veréis como al
calentarlo ya no pega como antes vamos
que al haber subido la temperatura es
como si hubiera una fuerza invisible que
obliga así al sistema a bajar la
pirámide cuando realmente es pura
probabilidad y es aquí donde se esconde
la entropía porque entropía es sólo una
manera pomposa de hablar del número de
microestados a un macro estado con pocos
micro estados posibles se le llama un
estado de baja entropía mientras que a
un macro estado con muchos micro estados
posibles se le llama un estado de alta
entropía
el imán tiende a bajar la pirámide por
lo que podemos decir que un sistema de
baja entropía tiende a evolucionar a uno
de alta entropía la entropía siempre
aumenta simplemente porque los sistemas
tienden a ir a su macro estado más
probable aquí tenéis el segundo
principio de la termodinámica con imanes
y como veis esto no tiene nada que ver
con el orden
el desorden parece que el sistema pasa
de un estado ordenado a un estado nada
ordenado pero esto son percepciones
subjetivas mira si cogiera los mini
manes y los colocará formando la cabeza
de un dragón tú dirías que esto está muy
bien ordenado y que tiene muy baja
entropía pero eso no tiene mucho sentido
primero porque la entropía no es algo
que se pueda asociar a una configuración
de mini man es lo asocias a una
propiedad macroscópica como el campo
magnético global tener forma de dragón
no es algo que yo pueda discernir desde
fuera la entropía es una propiedad de
los macro estados no de los microestados
y segundo porque aunque no fuera el caso
el campo magnético del dragón es casi
cero por lo que simplemente sería uno
más de los muchísimos micro estados con
campo magnético nulo y como vimos la
entropía del macro estado no imantado no
es precisamente baja orden y desorden en
esencia no son buenas palabras para
referirse a la entropía aunque la rae
opine lo contrario y esto nos lleva
directamente a las esferas duras como
explica esto la formación de este
cristal
pues todo lo anterior aplica los
sistemas evolucionan hacia los macro
estados que tienen mayor número de micro
estados entonces un cristal de esferas
duras se crea porque al formarse aumenta
el número de posiciones accesible por
esfera esa era la clave y llevo ubicadas
a los físicos encontrarla
vamos a pensarlo de esta manera si
pretendes poner la mesa echando los
platos al tuntún vas a tener un problema
lo más seguro que pase es que algunos
platos no quepan que haya huecos no lo
suficientemente grandes y que tengas que
quitarlos es cuando están todos los
platos correctamente ordenados que todos
pueden estar en la mesa es decir que en
este caso el orden favorece que haya más
elementos encima de la mesa mayor
espacio optimizado y más micro estados
con los que jugar esto es lo que pasa
cuando pones muchas esferas duras en una
caja si hubiera pocas o al menos fueran
como puntitos no estaríamos hablando de
esto estar organizadas en un patrón es
algo mucho más improbable que estar
puestas a los random pero es que ahora
estos puntitos tienen volumen no
permiten que otra bola se sola pico
ellas se chocan lo que está eliminando
muchos micro estados en los que
podríamos pensar por ejemplo mira desde
hueco ahí apenas puede entrar otra
esfera estos son micro estados que se
están perdiendo es cuando las esferas se
organizan cristalizan y optimizan el
espacio a su alrededor cuando el número
de micro estados estalla cuanto mayor
sea el volumen al que puede acceder cada
esfera sin chocarse con otra mayor será
el número de configuraciones posibles y
eso se consigue con orden es decir que
si hacemos nuestro paisaje de
posibilidades vemos que en la cima
tenemos al color y desorganizado y en la
base
tenemos el cristal el tiempo hace el
resto una cristalización inducida
solamente por la entropía sin fuerzas ni
energías de interacción es todo pura
probabilidad pero en el mundo real en
otros sistemas el azar no lo es todo hay
interacciones y fuerzas que dominan su
evolución empuja el sistema al macro
estado al que debe estar en otras
palabras maximizar la entropía no lo es
todo
minimizar su energía también es
importante se podría decir que energía y
entropía
son las actrices que dominan el destino
de todos nosotros los sistemas complejos
por eso conocer en especial a la esquiva
entropía va más allá de la pura
curiosidad es fundamental para la vida
para impactar moléculas como el adn o
las proteínas para la formación
espontánea de los virus y no sólo en
colores sino incluso en cómo almacenar
granos de arroz o trigo en los silos es
por esto que en el instituto de física
de la materia condensada el ifimav
algunos científicos siguen muy de cerca
este delicado juego estadístico para
comprender cada vez mejor cómo se ordena
esta materia blanda en ocasiones para
hacer mejores simulaciones puede que la
solución a muchos misterios de la
bioquímica ande por aquí pero volviendo
la entropía ojo en toda esta
interpretación de la segunda ley de la
termodinámica hay una brecha un pequeño
detalle que llevaría a que la segunda
ley puede incumplirse y que cosas
inimaginables sean reales pero eso lo
veremos en el próximo vídeo y ya sabes
si quieres más ciencia sólo tienes que
suscribirte y gracias por vernos
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