La conservación de la energía (II). Sistemas disipativos

9 de septiembre de 2016

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Bruno Henríquez

 

Cree a aquellos que buscan la verdad, duda de los que la han encontrado.
André Gide

Aunque sabemos que la energía se conserva al observar la naturaleza vemos que los sistemas aparentemente pierden energía, se envejecen, se frenan, se detienen.
A veces razonamos que si la energía se conserva los péndulos no debían pararse al oscilar, las ruedas una vez impulsadas deberían seguir rodando y en general las baterías recargables no deberían envejecer. Estas suposiciones pecan de simplicidad y presuponen que en los sistemas no hay pérdidas, si, me refiero a pérdidas que no violan el principio de conservación de la energía, sino que lo amplia introduciendo el concepto de energía disipada. En general en la física esto se estudia en una disciplina llamada termodinámica que es la ciencia que estudia la energía. La experiencia nos enseña que en donde quiera que hay disipación dela energía hay desprendimiento de calor.
La energía se manifiesta en las formas de realizar cambios en el sistema, lo que se expresa en el concepto de trabajo. En cualquier sistema físico la energía se manifiesta en forma de trabajo que puede implicar trabajo en procesos químicos, mecánicos eléctricos mientras que la transformación que disipa la energía se manifiesta en forma de calor.
Uno de los sistemas más sencillos que se puede utilizar para analizar la ley de conservación de la energía puede ser un péndulo simple, en el cual una masa se cuelga en un extremo de un hilo, cuyo peso es despreciable, mientras el otro extremo permanece fijo. Al desplazar el peso de su estado de equilibrio y soltarlo el péndulo comienza a oscilar y se puede apreciar como la energía de la masa se va transformando de energía potencial, dada por su posición, a energía cinética o de movimiento que se caracteriza por la velocidad del cuerpo y viceversa. Cuando la masa está en su altura máxima su velocidad es cero, y posee una energía potencial mecánica que depende de la altura y de su peso, al soltarla la energía potencias se convierte en energía cinética alcanzando su valor máximo en el punto más bajo cuando la energía potencial es cero y la velocidad máxima.

 

 

Un proceso oscilatorio similar se da en sistemas diferentes como elementos con resortes, procesos químicos, o circuitos eléctricos que oscilan manteniendo la energía que se transforma alternativamente haciendo oscilar el sistema.
Pero en todos ellos el comportamiento ideal no se mantiene durante todo el tiempo y los péndulos y masas con resortes se detienen, las reacciones químicas se atenúan y desaparecen y los sistemas eléctricos acaban por dejar de oscilar.
Para evitar que los sistemas de este tipo que se usan en los diferentes dispositivos se detengan, se les suministra la parte de la energía que han perdido con ayuda de dispositivos auxiliares, resortes que acumulan la energía mecánica en el caso de los relojes mecánicos, baterías que suministran electricidad tanto a los osciladores de relojes electrónicos como a procesos químicos, o la fuerza generada por calderas de vapor, o nuevos portadores energéticos en el caso de los motores de combustión interna por citar algunos ejemplos.
Una parte de la energía se ha disipado en forma de calor, se ha transformado en calor y este se pasa de un cuerpo más caliente al más frío o se disipa en el medio ambiente sin que forme ya parte del ciclo en el sistema.
La pregunta es ¿se conservó la energía? La respuesta es sí porque la cantidad de energía usada en el trabajo del sistema más la que se disipó en forma de calor es igual a la energía inicial.
Usted me dirá que el sistema se detuvo y se quedó sin energía. Lo que ocurrió fue que en su transformación la parte de la energía que se transformó en calor o energía térmica ya no pudo volver a transformarse en movimiento, estamos en presencia de un proceso o sistema disipativo donde el proceso que en un principio parecía conservativo es irreversible.
¿Le resulta complicado? Imagínese que el péndulo del ejemplo no tuviera fricción ni con el aire ni en la base donde está fijo. Entonces la cantidad de energía útil, o sea que produce el movimiento no variaría, pero cuando parte de la energía se disipa en forma de calor en la fricción, la energía total no es igual solo a la energía potencial en la altura máxima y el péndulo no volverá a la posición inicial sino a un punto más bajo, la velocidad máxima en el punto inferior será entonces menor que el momento inicial y así irá disminuyendo hasta que el péndulo se detenga.
En los sistemas cotidianos la cantidad de energía inicial se va transformando por lo que hay que suministrarle energía externa para compensar la parte que se disipa en forma de calor. Un sistema es más eficiente cuanto menos energía externa hay que suministrar o mientras más tiempo le dure la energía inicial. Para lograr esto se trata de disminuir la fricción y los procesos mecánicos incluyen la lubricación de las partes móviles, por ejemplo un ventilador bien lubricado es más eficiente porque una parte mayor de la energía se transforma en movimiento.
Desde hace mucho tiempo se ha pensado que podría existir algún dispositivo o mecanismo que, según la conservación dela energía, funcionara eternamente después de un impulso inicial sin necesidad de suministrarle más energía. A estos se les llamó móviles perpetuos (en latín, perpetuum mobile). Y no pueden existir porque los sistemas no se pueden aislar completamente, y siempre hay disipación de la energía fundamentalmente en forma de calor. La búsqueda del móvil perpetuo, si bien no lleva a su materialización, si ha llevado al desarrollo de sistemas cada vez más eficientes, porque los investigadores perfeccionan las técnicas para evitar las pérdidas por disipación.
La explicación teórica de la no existencia de estos dispositivos se encuentra en la segunda ley de la termodinámica que describe la irreversibilidad de los procesos termodinámicos, el equilibrio de los sistemas y el aumento de la entropía.
Cuando se realizan experimentos mentales para la aparición de móviles perpetuos aparecen paradojas que demuestran que invariablemente han ocurrido errores de comprensión de las leyes de la Física, por lo que resultan muy instructivos.
Los móviles perpetuos son de dos tipos:
Móvil perpetuo de primera especie es un dispositivo que produce trabajo sin ninguna entrada externa de energía, y sin experimentar pérdidas en el tiempo.
Móvil perpetuo de segunda especie es una máquina que funciona en un ciclo de transformación energética sin experimentar pérdidas.
En física teórica, es frecuente la utilización de experimentos mentales para comprobar los límites del conocimiento de las leyes físicas. Cuando alguien trae un invento que es a todas luces un móvil perpetuo un análisis de su fuente de energía y la generación de trabajo puede mostrar si hemos malinterpretado las leyes de la física.
Incluso Leonardo da Vinci diseñó un sistema que demostraba la imposibilidad del movimiento perpetuo. Según él, cualquier instrumento elaborado por el hombre no podría producir un movimiento perpetuo, dado el experimento que realizó sobre una rueda y pesos.
A veces vemos en documentales trucados como con una configuración específica de imanes se puede hacer funcionar un motor sin aplicarle energía externa, si esto fuera así no haría falta generar electricidad en las plantas eléctricas, sino solo obtenerla del movimiento de estos motores.
En la ciencia ficción por ejemplo se puede hacer un móvil perpetuo gracias a la aparición de una sustancia como la “cavorita” de la novela “Los primeros hombres en la Luna” de H.G. Wells esta es capaz de apantallar la acción de la gravedad, así una placa de cavorita situada debajo de la mitad de una rueda sobrebalanceada, deja sin peso a las bolas de la izquierda (ver figura) mientras que las de la derecha bajo la acción de la gravedad, caen por su peso y hacen girar la rueda. La conclusión es que una sustancia como la cavorita viola las leyes de la termodinámica, otra interpretación sería que para su construcción haría falta más energía que la que se puede obtener de ella.

 

Muchas personas han tratado de diseñar móviles perpetuos, pero como es de esperar ninguno lo ha conseguido pues se parte de ideas erradas, aunque el intento de aprovechar mejor la energía es un paso de avance en las tecnologías.
Se debe destacar que la imposibilidad de crear un móvil perpetuo no es una prohibición por convencimiento, sino una característica de la energía en los sistemas físicos, estudiada por la termodinámica.