Investigadores franceses han conseguido una violación aparente de la Segunda Ley de la Termodinámica introduciendo el “demonio de Maxwell” en un experimento que imita un sistema macroscópico en equilibrio. La entropía sigue en cuestión, aunque solo en teoría.

Científicos franceses han desarrollado un dispositivo a escala macroscópica para extraer energía de fluctuaciones desordenadas, en lo que constituye la primera manifestación de una violación aparente a escala macroscópica de la Segunda Ley de la Termodinámica. El demonio de Maxwell ha vuelto.

El demonio de Maxwell es un experimento imaginado en el siglo XIX por el físico escocés James Clerk Maxwell para demostrar que, contrariamente a lo que afirma la Segunda Ley de la Termodinámica, la entropía puede disminuir. Este experimento, meramente teórico, ha dado lugar a un largo debate, célebre en la historia de la física, que se prolonga hasta nuestros días.

La Segunda Ley de la Termodinámica establece que, si ponemos en contacto dos objetos a diferente temperatura y no ejercemos ninguna acción sobre ellos, el calor siempre fluirá del cuerpo caliente al frío, nunca al revés: el café caliente tiende a enfriarse, pero el café frío nunca tiende a calentarse.

Cuestión de entropía

Rudolf Clausius, considerado uno de los fundadores centrales de la ciencia de la termodinámica, introdujo en 1865 una nueva magnitud física, conocida como entropía, para medir el grado de desorden molecular de un sistema. La entropía mide la tendencia natural a pasar de un estado de orden a un estado de desorden (caos).

La entropía siempre crece (nunca disminuye) en el transcurso de un proceso que se da de forma natural y describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos: explicado llanamente, viene a decir que un plato roto nunca puede recomponerse espontáneamente.

Sin embargo, a la entropía de Clausius le faltaba un punto fundamental: ¿cuál es el contenido físico de esta magnitud, y qué medía exactamente?

El demonio de Maxwell

Esta pregunta se convirtió en un gran interrogante que preocupó a los físicos a finales del siglo XIX, hasta que se impuso la hipótesis atómica y con ella las teorías de Ludwig Boltzmann y Josiah Willard Gibbs, que dieron origen a la termodinámica estadística: establece una conexión entre la descripción microscópica y la descripción macroscópica de la naturaleza.

Maxwell exploró los límites de esta concepción estadística de la Segunda Ley de la Termodinámica con su experimento del demonio, teóricamente capaz de operar a escala microscópica y de calentar el gas caliente, así como de enfriar el gas frío.

Aunque no existe ningún procedimiento como el demonio de Maxwell capaz de violar experimentalmente la Segunda Ley de la Termodinámica, el debate sobre lo que plantea a nivel teórico ha perdurado en el seno de la física, teniendo siempre como base las leyes previstas por Clausius.

Desafío micro y macroscópico

Este debate, durante mucho tiempo sólo teórico, experimentó un nuevo desarrollo hace diez años, porque en 2010 se llevó a cabo por primera vez un experimento que materializaba la idea de Maxwell, aunque a nivel microscópico.

Ahora se ha dado un paso más, ya que investigadores del Laboratorio de Física de la École Normale Supérieure de Lyon (LPENSL, CNRS/ENS de Lyon), han logrado por primera vez crear un demonio de Maxwell a escala macroscópica y comprobado que el orden puede emerger del desorden.

Este experimento ha hecho algo similar al demonio de Maxwell, explica a T21 el catedrático Eduardo Costas.

En el caso del experimento de Maxwell, en un gas que está a determinada temperatura (pongamos 30 grados), la mayoría de las moléculas se mueven a una velocidad característica de esa temperatura, pero unas pocas se pueden mover más rápido (están a más temperatura, por ejemplo, a 40º), mientras que otras se mueven más despacio (están a menos temperatura, por ejemplo 20º).

Que la cara no está es solo apariencia, al igual que ocurre con el demonio de Maxwell. Petr Sidorov en Unsplash.

Violación imaginaria

En el mundo real el gas es una mezcla de todas ellas. Pero el diablo de Maxwell controla una puerta. Si ve venir a una molécula rápida (la de 40º) la deja pasar. Si viene una lenta (la de 20º) le cierra la puerta. Al final tendría en un lado de la puerta a las moléculas calientes y en el otro a las frías. Es una supuesta violación de la Segunda Ley de la Termodinámica.

En el nuevo experimento, los científicos construyeron el equivalente experimental al diablo de Maxwell para separar moléculas en movimiento browniano, resultado de los choques que se producen entre las moléculas de un fluido: esto es, si yo tengo algo muy pequeño en el agua, como una bacteria o un virus, esta se mueve en una trayectoria errática que en realidad es fruto de los "porrazos" que le pegan las moléculas de agua (especialmente las que se mueven más rápido).

En un modelo simplificado, si una molécula rápida le choca por la derecha y una lenta por la izquierda, desplazará ligeramente la bacteria hacia la izquierda, aclara Costas.

Equivalente eléctrico

La separación de moléculas en movimiento browniano alcanzada por el equipo francés es el equivalente eléctrico de la clasificación practicada por el demonio imaginado por Maxwell y permite a los científicos observar la extracción de trabajo en un modelo que imita un sistema macroscópico en equilibrio,  explican los investigadores.

Esta violación macroscópica de la termodinámica es, por supuesto, solo aparente, insisten los investigadores, porque el segundo Principio de la Termodinámica se cumple siempre.

“Es de las pocas cosas de las que estamos seguros. En el mundo real no hay demonios de Maxwell y, si construimos algo parecido, siempre es a costa de un gasto de energía”, concluye Costas.

Referencia

Human-Scale Brownian Ratchet: A Historical Thought Experiment. M. Lagoin et al. Physical Review Letters, 15 September 2022. DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.120606