En ciencia se llama irreversible a un proceso que no es reversible . Este concepto surge frecuentemente en termodinámica . Todos los procesos naturales complejos son irreversibles, [1] [2] [3] [4] aunque una transición de fase a la temperatura de coexistencia (por ejemplo, derretimiento de cubitos de hielo en agua) se considera reversible.
En termodinámica, un cambio en el estado termodinámico de un sistema y todos sus alrededores no puede restaurarse con precisión a su estado inicial mediante cambios infinitesimales en alguna propiedad del sistema sin gasto de energía. Un sistema que atraviesa un proceso irreversible aún puede ser capaz de regresar a su estado inicial. Debido a que la entropía es una función de estado , el cambio de entropía del sistema es el mismo ya sea que el proceso sea reversible o irreversible. Sin embargo, se presenta la imposibilidad de restaurar el medio ambiente a sus propias condiciones iniciales. Un proceso irreversible aumenta la entropía total del sistema y su entorno. La segunda ley de la termodinámica se puede utilizar para determinar si un proceso hipotético es reversible o no.
Intuitivamente, un proceso es reversible si no hay disipación . Por ejemplo, la expansión de Joule es irreversible porque inicialmente el sistema no es uniforme. Inicialmente, hay una parte del sistema con gas y una parte del sistema sin gas. Para que se produzca disipación, es necesario que exista tal no uniformidad. Esto es lo mismo que si en un sistema una sección del gas estuviera caliente y la otra fría. Entonces ocurriría la disipación; la distribución de temperatura se volvería uniforme sin que se realizara trabajo, y esto sería irreversible porque no se podría agregar ni quitar calor ni cambiar el volumen para devolver el sistema a su estado inicial. Por lo tanto, si el sistema es siempre uniforme, entonces el proceso es reversible, lo que significa que puede devolver el sistema a su estado original agregando o eliminando calor, realizando trabajo en el sistema o dejando que el sistema trabaje. Como otro ejemplo, para aproximar la expansión en un motor de combustión interna como reversible, asumiríamos que la temperatura y la presión cambian uniformemente en todo el volumen después de la chispa. Obviamente, esto no es cierto y hay un frente de llama y, a veces, incluso ruidos del motor . Una de las razones por las que los motores diésel pueden alcanzar una mayor eficiencia es que la combustión es mucho más uniforme, por lo que se pierde menos energía por disipación y el proceso es más reversible. [ cita necesaria ]
El fenómeno de irreversibilidad resulta del hecho de que si un sistema termodinámico , que es cualquier sistema de suficiente complejidad, de moléculas que interactúan, se lleva de un estado termodinámico a otro, la configuración o disposición de los átomos y moléculas en el sistema cambiará en un de una manera que no es fácilmente predecible. [5] [6] Se utilizará algo de "energía de transformación" ya que las moléculas del "cuerpo de trabajo" trabajan entre sí cuando cambian de un estado a otro. Durante esta transformación, habrá cierta pérdida o disipación de energía térmica debido a la fricción y las colisiones intermoleculares. Esta energía no será recuperable si se invierte el proceso.
Se ha descubierto que muchos procesos biológicos que alguna vez se pensaron que eran reversibles son en realidad una combinación de dos procesos irreversibles. Mientras que alguna vez se creyó que una sola enzima catalizaba los cambios químicos directos e inversos, las investigaciones han descubierto que normalmente se necesitan dos enzimas separadas de estructura similar para realizar lo que da como resultado un par de procesos termodinámicamente irreversibles. [7]
La termodinámica define el comportamiento estadístico de un gran número de entidades, cuyo comportamiento exacto está dado por leyes más específicas. Si bien todas las leyes teóricas fundamentales de la física son reversibles en el tiempo, [8] experimentalmente la probabilidad de una reversibilidad real es baja y el estado anterior del sistema y su entorno se recupera sólo hasta cierto punto (ver: principio de incertidumbre ). La reversibilidad de la termodinámica debe ser de naturaleza estadística; es decir, debe ser simplemente muy improbable, pero no imposible, que un sistema disminuya su entropía. En otras palabras, la reversibilidad del tiempo se cumple si el proceso ocurre de la misma manera si el tiempo fluyera al revés o se invirtiera el orden de los estados en el proceso (el último estado se convierte en el primero y viceversa).
El físico alemán Rudolf Clausius , en la década de 1850, fue el primero en cuantificar matemáticamente el descubrimiento de la irreversibilidad en la naturaleza mediante su introducción del concepto de entropía . En sus memorias de 1854 "Sobre una forma modificada del segundo teorema fundamental de la teoría mecánica del calor", Clausius afirma:
Puede ocurrir, además, que en lugar de una transmisión descendente de calor que acompañe, en el mismo proceso, a la transmisión ascendente, se produzca otro cambio permanente que tenga la particularidad de no ser reversible sin ser sustituido por un nuevo cambio permanente. de tipo similar, o que produzcan una transmisión descendente de calor.
Clausius afirma simplemente que es imposible que un sistema transfiera calor de un cuerpo más frío a uno más caliente. Por ejemplo, una taza de café caliente colocada en un área a temperatura ambiente (~72 °F) transferirá calor a su entorno y, por lo tanto, se enfriará y la temperatura de la habitación aumentará ligeramente (a ~72,3 °F ). Sin embargo, esa misma taza de café inicial nunca absorberá el calor de su entorno, lo que hará que se caliente aún más y la temperatura de la habitación disminuya (a ~71,7 °F ). Por lo tanto, el proceso de enfriamiento del café es irreversible a menos que se agregue energía adicional al sistema.
Sin embargo, surgió una paradoja al intentar conciliar el microanálisis de un sistema con observaciones de su macroestado. Muchos procesos son matemáticamente reversibles en su microestado cuando se analizan utilizando la mecánica newtoniana clásica. Esta paradoja claramente contamina las explicaciones microscópicas de la tendencia macroscópica hacia el equilibrio, como el argumento de James Clerk Maxwell de 1860 de que las colisiones moleculares implican una igualación de las temperaturas de los gases mezclados. [9] De 1872 a 1875, Ludwig Boltzmann reforzó la explicación estadística de esta paradoja en la forma de la fórmula de entropía de Boltzmann , afirmando que un aumento en el número de microestados posibles en los que podría estar un sistema aumentará la entropía del sistema, haciendo es menos probable que el sistema regrese a un estado anterior. Sus fórmulas cuantificaron el análisis realizado por William Thomson, primer barón Kelvin , quien había sostenido que: [10] [11]
Las ecuaciones de movimiento en dinámica abstracta son perfectamente reversibles; cualquier solución de estas ecuaciones sigue siendo válida cuando la variable de tiempo t se reemplaza por –t. Por otro lado, los procesos físicos son irreversibles: por ejemplo, la fricción de sólidos, la conducción de calor y la difusión. Sin embargo, el principio de disipación de energía es compatible con una teoría molecular en la que cada partícula está sujeta a las leyes de la dinámica abstracta.
Otra explicación de los sistemas irreversibles fue presentada por el matemático francés Henri Poincaré . En 1890 publicó su primera explicación de la dinámica no lineal, también llamada teoría del caos . Aplicando la teoría del caos a la segunda ley de la termodinámica , la paradoja de la irreversibilidad se puede explicar en los errores asociados con el escalado de microestados a macroestados y los grados de libertad utilizados al realizar observaciones experimentales. La sensibilidad a las condiciones iniciales relacionadas con el sistema y su entorno en el microestado se convierte en una exhibición de características irreversibles dentro del ámbito físico observable. [12]
En el ámbito físico, están presentes muchos procesos irreversibles a los que se puede atribuir la incapacidad de lograr el 100% de eficiencia en la transferencia de energía. La siguiente es una lista de eventos espontáneos que contribuyen a la irreversibilidad de los procesos. [13]
Una expansión de Joule es un ejemplo de termodinámica clásica, ya que es fácil calcular el aumento de entropía resultante. Ocurre cuando un volumen de gas se mantiene en un lado de un contenedor térmicamente aislado (a través de una pequeña partición), mientras se evacua el otro lado del contenedor; A continuación se abre el tabique entre las dos partes del recipiente y el gas llena todo el recipiente. La energía interna del gas sigue siendo la misma, mientras que el volumen aumenta. El estado original no se puede recuperar simplemente comprimiendo el gas a su volumen original, ya que esta compresión aumentará la energía interna. El estado original sólo puede recuperarse enfriando luego el sistema recomprimido y calentando así irreversiblemente el ambiente. El diagrama de la derecha sólo se aplica si la primera expansión es "libre" (expansión de Joule), es decir, no puede haber presión atmosférica fuera del cilindro ni levantar peso.
La diferencia entre eventos reversibles e irreversibles tiene un valor explicativo particular en sistemas complejos (como organismos vivos o ecosistemas ). Según los biólogos Humberto Maturana y Francisco Varela , los organismos vivos se caracterizan por la autopoiesis , lo que permite su existencia continuada. El físico y químico Ilya Prigogine ha descrito formas más primitivas de sistemas autoorganizados . En el contexto de sistemas complejos, los eventos que conducen al fin de ciertos procesos autoorganizados , como la muerte , la extinción de una especie o el colapso de un sistema meteorológico, pueden considerarse irreversibles. Incluso si se pudiera desarrollar un clon con el mismo principio organizativo (por ejemplo, idéntica estructura de ADN), esto no significaría que el antiguo sistema distinto volviera a existir. Los acontecimientos a los que se pueden adaptar las capacidades de autoorganización de organismos, especies u otros sistemas complejos, como lesiones menores o cambios en el entorno físico, son reversibles. Sin embargo, la adaptación depende de la importación de negentropía al organismo, aumentando así los procesos irreversibles en su entorno. [17] Los principios ecológicos, como los de sostenibilidad y el principio de precaución, pueden definirse con referencia al concepto de reversibilidad. [18] [19] [20] [21] [22] [23] [5] [24] [25]
