La conservació de l'energia

L’energia és aquella força vital que permet o provoca que les coses es moguin o canviïn. Sabem que es presenta en diverses formes, ja sigui calor, llum, vibracions, etc. No obstant, avui dia encara resulta complicat definir el terme "energia".

Experimentalment, la ciència ha tractat amb l’energia des dels seus inicis. Aquesta ha sigut transformada de totes les maneres possibles en laboratoris. Bé, quotidianament, les persones ja apliquem aquests processos a casa nostra, si més no, són diferents tipus d’energia els que precisa un ordinador (energia elèctrica), dels que irradia un braser (energia tèrmica). Tot i que aparentment puguin semblar les dues diferents, no deixen de ser energia; cadascuna manifestada en formes diferents.

La ciència sempre havia interpretat la massa i l’energia com dos quelcoms separats, sense aparent relació entre elles. Però, fou a principis de segle XX, quan probablement la ment més privilegiada de tots els temps indicà l’intrínseca relació que aquestes dues essències mantenien entre si; el fet d’ésser.

Això suposa que massa i energia són al cap i a la fi el mateix, no obstant, donant un paper protagonista a l’energia, la massa és fruit d’una transformació de l’energia. Qui establí el vincle entre massa i energia fou Albert Einstein, desenvolupador també de la famosa equació matemàtica on aquest principi queda demostrat;

On ‘E’ és energia, ‘m’ és massa i ‘c’ és velocitat de la llum.

Entre d’altres possibles deduccions, establim d’aquesta fórmula que "l'energia alliberada per la destrucció de la massa és 'm' vegades la velocitat de la llum al quadrat". Conclusió; que l’energia es pot manifestar com a massa i viceversa.

Aquesta llei física és empleada en les bombes nuclears, on d’una petita quantitat de massa se n’aconsegueix una arma destructiva bestial.

També compon el pilar de la teoria de cordes, ja que les diferents maneres de vibrar d’una corda (energia) produeixen més o menys massa.

L’energia es transforma

Hem parlat de què l’energia elèctrica (aquella amb la qual funcionen els nostres electrodomèstics) i la tèrmica (la que radia un braser) són manifestacions diverses de l’energia en si. Això demostra la capacitat de transformació que posseeix l’energia. Tan sols són necessàries petites intervencions per transformar energia potencial en energia elèctrica; com els sistemes presa-canonades-turbina-transformador amb que treballen les centrals hidroelèctriques.

Per tant, la mateixa naturalesa ja ens permet que l’energia sigui transformada, seguint un cicle, sense principi i sense fi. Això suposa que l’energia que ens manté els aliments freds, ni ha estat creada, ni es podrà destruir, tan sols transformar.

L’energia ni es crea ni es destrueix, simplement es transforma

Milers de cops hem sentit aquesta frase, però, ¿hem sigut capaços alguna vegada d’entendre el seu verdader significat?

Pot ser que l’energia no hagi sigut creada? Estaríem parlant d’un quelcom increat? A més, som incapaços de destruir energia així com ens resulta senzill acabar amb boscos sencers?

Conservació de l’energia

Per extreure algun significat solvent de l’origen de l’energia primer haurem de conèixer amb exactitud tots els detalls de l’inici de l’univers. Tanmateix es creu que l’energia és presencial en el nostre univers des del moment zero i que ho serà fins a si algun dia aquest finalitza.

Entenent el nostre univers com un sistema físic, l’energia tal i com creiem conèixer-la seria un element intern d’aquest sistema. De tal manera, que no tingui sentit parlar de l’energia sense l’existència de l’univers. Coneixent el principi de l’univers com el principi del temps (menyspreant totes aquelles hipòtesis del pre-Big Bang), l’energia ha sigut presencial en tot moment i ho serà degut a la seva capacitat de conservar-se.

Si en el principi de l’univers hi havia energia X, actualment hi ha energia X, i dins de 5.000 milions d’anys, hi seguirà havent energia X (entenent per X aquella incògnita que representa la quantitat total d’energia de l’univers, xifra que sobrepassa els nostres coneixements). Dit d’altra manera, l’energia que actualment manté els electrodomèstics de casa teva en funcionament fou presencial en els inicis de l’univers. Aquesta energia té més de 14.000 milions d’anys (sent, juntament amb el temps, el subjecte més antic de la creació). Sí és cert, que tan sols és la mateixa pel que respecta a la seva naturalesa, doncs també és ben cert que durant aquests milers d’anys s’ha manifestat en diverses transformacions.

Per comprendre-ho millor...

El teu ordinador funciona amb energia elèctrica. Suposant que aquest corrent prové d’una central eòlica (amb aerogeneradors), abans aquesta energia elèctrica havia sigut; energia cinètica de rotació, energia cinètica i energia mecànica. Aquesta energia mecànica és la que s’obté del moviment de les aspes dels aerogeneradors amb la força del vent. Doncs bé, el vent és provocat per l’escalfament diferencial de la superfície terrestre per part del Sol.

El Sol combustiona gràcies a un procés nuclear de fusió, amb elements dels quals han provingut de supernoves, resultants d’altres estrelles, productes del mateix inici de l’univers.

Aquí establim un transcurs de l’energia que va del moment 0 de l’univers al teu ordinador.

1 D’una petita quantitat de matèria n’extreiem gran quantitat d’energia ja que és multiplicada per c, és a dir,una magnitud enorme (velocitat de la llum = 300 milions de metres per segon).

Continua llegint »

Mort entròpica

Els científics són conscients que el nostre univers, tard o d'hora, acabarà finalitzant. No obstant, en desconeixen el com.

La manera en què finalitzarà l'univers depèn d'un factor encara desconegut per als astrònoms, anomenant matèria-energia, i que fa referència a la quantitat total de matèria que conté el nostre cosmos -s'inclou el segon terme "energia" ja que, seguint la famosa equació d'Einstein, sabem que aquesta es manifesta en massa i viceversa.

El fet de no conèixer el total de matèria que conté el nostre univers condueix a la incertesa actual respecte al final d'aquest mateix. No obstant, us podeu preguntar; què té a veure la quantitat total de massa de l'univers amb el seu destí? Bé, si veu veure el corresponent documental publicat en aquesta pàgina sobre els finals de l'univers ja sabreu la resposta, sinó, cal esmentar que la quantitat de massa de l'univers determinarà si aquest continua expandint-se, o del contrari, acabarà contraient-se.

Dues possibilitats

Les dues possibilitats que actualment manegen els científics són el Big Crunch i la mort entròpica, o també anomenada Big freeze (gran congelació). La primera, ja tractada en aquest blog, suposa una mort calorosa, ja que anuncia que tot l'espai començarà a contraure’s en un punt microscòpic, provocant d'aquesta manera un augment significatiu de la temperatura global. Les temperatures serien tan altes, que els àtoms es resistirien a les mútues atraccions gravitatòries, impedint qualsevol tipus de complexitat. I la segona alternativa, la mort entròpica, i la qual ens centrarem en aquesta entrada, suposa que l'univers continuarà expandint-se fins que la temperatura general sigui pròxima al zero absolut. Per tant, el què sabem és que podem morir o de calor o de fred, però no si ens hem de destapar o abrigar-nos.

Mort per refredament

La mort entròpica, o mort tèrmica, teoritza que el nostre cosmos continuarà expandint-se fins a que totes les estrelles, o altres fonts de radiació, hagin esgotat el seu combustible. Aquesta alternativa es donarà sempre i quan la quantitat de matèria-energia sigui inferior a un nivell crític de 10^-29 grams per centímetre cúbic, aproximadament uns 10 mil•ligrams de matèria estesa per un volum similar al del planeta Terra. El fet de que la quantitat de matèria sigui inferior a aquest nivell crític, implica que en cap moment es produirà cap força d’atracció mútua entre els cossos de l’univers que pugui aturar l’expansió de l’espai, degut a que la quantitat de massa no serà suficient. De fet, si recordem, el Big Crunch estipula el contrari, és a dir, el seu escenari serà possible sempre i quan aquest nivell crític sigui igualat o superat, provocant d’aquesta manera una atracció mútua que aturi l’expansió i provoqui una contracció de l’espai. Per tant, com ja hem comentat, se’ns donen dos escenaris, un calorós i un fred, sense saber per quin es decantarà l’univers.

Incertesa

La incertesa que els científics mantenen respecte el destí final del nostre espai prové del desconeixement de la quantitat total de matèria-energia del nostre univers. Tot i que pugui semblar una barbaritat saber quanta quantitat de matèria pot contenir el nostre univers, els científics s’hi aproximen a través d’equacions que engloben des de la massa d’un planeta fins a la d’una galàxia. És a dir, els astrònoms s’aproximen a la massa total de l’univers contant, primer, quants planetes conté una galàxia multiplicat per la massa d’un planeta per terme mig, el nombre de llunes per terme mig que conté un planeta multiplicat per la seva massa, el nombre d’estrelles que per terme mig conté una galàxia multiplicat pel seu pes, també per terme mig. Tot això es suma, i el resultant final és el pes per terme mig d’una galàxia. Posteriorment, aquesta xifra es multiplica pel nombre de galàxies que conté el nostre univers observat, i s’aconsegueix una xifra aproximada del total de matèria que hi ha en el nostre cosmos. Després, es divideix pel volum total de l’univers conegut pels cosmòlegs, i s’aconsegueix el nombre de matèria-energia que conté l’univers per centímetre cúbic.

No obstant, si mai es realitza aquesta prova, el resultat obtingut no és gens factible.

Els científics saben que el nostre univers està compost en gran part per matèria fosca, aquella que no és observable per als nostres telescopis, degut a la seva estranya naturalesa. A més, tampoc es coneix amb certesa la quantitat de forats negres que conté l’univers i la seves masses per terme mig. Aquests dos factors, juntament amb d’altres, són els que provoquen que aconseguir un xifra basada tan sols en la matèria tal i com la coneixem (un 4% del total de l’univers), i fer-hi deduccions, és tan sols enganyar-se a si mateix. Per tant, per saber quin destí final prendrà el nostre univers, primer cal saber amb exactitud la naturalesa del nostre cosmos.

Últimes fonts de calor

Si finalment el nostre univers es decanta per morir per refredament, les últimes esperances que podrà disposar una civilització prou avançada per disposar de calor seran les últimes fonts de radiació.

En última instància, els únics punts que acabaran emetent radiació, i per tant calor, seran les estrelles, i encara més cap al final, els forats negres. Una civilització força avançada podrà situar-se el suficientment a prop d’un forat negre com per aprofitar la radiació que aquest emet. No obstant, un cop s’hagin extingit, l’univers quedarà obsolet de calor, i qualsevol tipus de matèria viva serà impracticable.

Tot i això, l’ésser humà no s’haurà de preocupar mai per si mort de fred. Els científics aproximen l’extinció de vida en el planeta Terra d’aquí a uns 5.000 milions d’anys com a molt, quan el Sol sigui tan radiant que tots els oceans del planeta s’evaporin, i els rajos tan penetrants que cap atmosfera la pugui aïllar. Aquest període de temps, però, és insignificant respecte els 10^100 anys (1 un amb 100 zeros) que els científics estimen que trigarà el nostre univers a morir de fred.

Continua llegint »

Els forats negres (V) No són tan negres

En l’entrada Radiació de Hawking, vam establir que els forats negres perdien massa i que finalment desapareixien degut a l’absorció de partícules d’antimatèria. Doncs bé, en aquesta entrada procurarem aprofundir més sobre l’origen de la seva disminució de matèria i sobre la radiació que emeten.

Jacob Bekenstein, un alumne de Princeton, va formular una sucosa hipòtesi que qüestionava la negror dels forats negres. No feia gaire, s’havia establert que els forat negre no deixaven fugir ni la llum, degut a que la velocitat d’escap d’aquests cossos era sempre major a la de 300.000km/s. Això suposava que els forats negres no permetien expulsar cap tipus de radiació. Si més no, com ja vam comentar, d’aquí procedeix el nom que els hi encunyà John Wheeler. Tot i això, a Bekenstein no se li van treure les ganes de prendre en serio la seva decisió.

Per basar-se en el que afirmava, féu referència al segon principi de la termodinàmica, aquell que estableix que l’entropia d’un cos sempre augmenta.

L’entropia en si és un element imprescindible que s’ha de conèixer si es vol treballar en física o en qualsevol cap relacionat a aquesta. És una constant equiparable a la de l’energia, doncs, de la mateixa manera que realitzant una infinitat de processos la quantitat d’energia sempre és la mateixa, per molt que ordenem una habitació desordenada sempre estarem contribuint en la “desordenació total", o el que seria el mateix, en el increment de l’entropia total de l’univers. Pot arribar a semblar una antítesis el fet de que ordenant tota una habitació sencera realment estiguem contribuint al contrari, però és que així és; ja que sembla ser que la segona llei de la termodinàmica ens diu que fent el que fem, no deixem mai de contribuir al desordre total de l’univers.

El fet és que a Bekenstein, els forats negres, no els creia una excepció al segon principi de la termodinàmica, posat que pensava que molt rarament aquest faria distincions especials en alguns sistemes físics.

Vulnerant el segon principi de la termodinàmica

Quan un forat negre absorbeix qualsevol tipus de matèria, està contribuint a disminuir l’entropia de l’univers, ja que elimina elements que poguessin suposar un desordre en el futur i tota la seva energia corresponent. No obstant, aquest fet, el de contribuir a la disminució de l’entropia, tan sols es pot donar en el cas de que posteriorment el forat negre no torni d’una o altra manera la matèria que ha absorbit, o el que és el mateix, que emeti radiacions.

Uns anys abans a les incitacions de Bekenstein, Hawking va demostrar que, si un esteroide o part del gas de la superfície d’una estrella pròxima –per exemple- , s’unia a un forat negre, o si dos forats negres xocaven i es combinaven entre si, en tots aquests processos l’àrea d’horitzó d’esdeveniments del forat negre augmentaria.

Bekenstein va traduir aquest augment de l’horitzó d’esdeveniments en un augment de l’entropia, i com a conseqüència, en un augment de l’entropia total de l’univers.

És per això que des d’aquell moment es considerà l’horitzó d’esdeveniments com el mesurador de l’entropia d’un forat negre. És més, Hawking afegí que, degut a l’emissió de radiació, en la frontera d’esdeveniments també hi trobaríem la temperatura del forat negre.

Com la mecànica quàntica afecta la pèrdua de massa dels forats negres

Fins aquell punt se sabia que els forats negres no eren tan negres com Wheeler va fer creure, sinó que tenien una temperatura i que emetien radiació. No obstant, el problema estava en establir, des de la relativitat general, per què es produïa aquest fet. Com que els forats negres són sistemes abstractes macroscòpics, sembla ser que la teoria més adient per a cercar la resposta seria la relativitat general, ja que és la que explica els elements de l’univers de major grandària. Tot i això, Stephen Hawking, l’any 1974, va ser capaç de trobar la resposta en la teoria oposada; la mecànica quàntica.

Si preguntem a la relativitat general, aquesta ens dirà que un forat negre no serà mai capaç, ni ho ha sigut, de perdre massa. Però el fet és que la inclusió de la mecànica quàntica modifica radicalment aquesta conclusió. Tot i que els càlculs als quals va arribar Hawking són complexos, la idea és bàsica:

Sembla ser que el poder gravitatori d’un forat negre pot injectar energia provinent del principi d’incertesa de Hiensenberg en forma de, per exemple, fotons virtuals, que son aquells qua han agafat l’energia del principi d’incertesa de Heinsenberg (recordem que en l’entrada Radiació de Hawking es tractava d’un parell de partícula-antipartícula). Aquesta energia injectada en els fotons virtuals pot provocar una repulsió entre aquests dos, fent que un fotó s’allunyi en les profunditats de l’univers de l’altra fotó “company” que, molt probablement, s’haurà precipitat en l’interior del forat negre.

Utilitzant aquesta analogia, hem observat com per cada dues partícules que ha emès un forat negre, tan sols n’ha absorbit una. Aquest fet cobra més significat quan es consideren altres tipus de partícules en quantitats més grans i en ritmes d’esdeveniments més frenètics. Doncs sembla ser que el ritme al qual un forat negre per massa és major al qual n’absorbeix (com ja vam establir anteriorment).

La temperatura

L’altre factor des del qual el forat negre també perd massa, és a dir, irradia, és des de la seva temperatura.

L’única temperatura que no irradiaria, i que per tant no suposaria una pèrdua de massa ens els cossos que seria emesa, seria la del zero absolut, aquella en el qual els àtoms del component estan totalment paralitzats. No obstant, el principi d’incertesa de Heinsberg estableix que qualsevol partícula de l’univers es troba immersa en una incessant marxa produïda, en part, per la radiació de microones. Així que des d’aquesta entrada ja establim (com hauríem d’haver fet en la seva corresponent) que el zero absolut és físicament impossible i que per tant, en algunes ocasions, prescindible.

Tot i això, semblar ser que la temperatura que irradia un forat negre tan sols acostuma a trobar-se a una centmilionèsima de grau centígrad per sobre del zero absolut, totalment menyspreable per als aparells mesuradors actuals.

Continua llegint »

Zero absolut

 Conceptes bàsics:

• -Temperatura: (Entre d’altres possibles definicions) Mesura de l’energia de les partícules d’un cos. Quan major és l’energia de les partícules, major calor irradien i per tant més temperatura presenta el cos.

Quan un cos s’escalfa, les partícules constituents d’aquest, s’exciten augmentant d’energia i, si s’arriben a determinades temperatures, propicien un canvi d’estat. Aquest és un dels principis de la teoria cinético corpuscular, molt aplicable en el cas de l’aigua; Quan l’aigua es troba en estat sòlid, és a dir gel, i s’escalfa fins a que aquesta assoleix els 0ºc, passa a convertir-se en líquid, de manera semblant si l’escalfem fins a aconseguir els 100ºc on, a pressió d’1 atmosfera, es converteix en gas (vapor). Com ja advertíem, aquest és un clar exemple del fet de que l’augment de temperatura i l’augment d’energia d’una partícula estan relacionats.
D’aquest principi físic en podem extreure dues conclusions que no deixen de ser una sola vista del dret al en revés;

Si augmenta la temperatura d’un cos també ho fa l’energia de les seves partícules, i també, si augmenta l’energia de les partícules d’un cos també ho fa la seva temperatura.

Inclús encara en podríem extreure una tercera i una quarta (relacionades entre si) que es fan òbvies al llegir les dues anteriors conclusions; són aquelles que afirmen que si la temperatura disminueix també ho fa l’energia de les partícules i viceversa.

Es pot escalfar un cos fins que assoleixi temperatures infinites ja que en principi les seves partícules poden moure’s en infinites velocitats. No obstant, podem refredar un cos fins a infinites temperatures sota zero?

Deixant-nos emportar per la resolució de la primera pregunta podríem arribar a respondre que sí. No obstant, utilitzant el sentit del seny obtindríem una resposta lògica a aquesta qüestió, la qual ens indicaria que aquest fet no es pot donar:

Una partícula pot moure’s a grans velocitats i sempre podrà doblar aquesta fita o triplicar-la, quadruplicar-la... en fi, és com el comptar números; ens hi podríem passar l’eternitat fent-ho i mai trobaríem un límit o fi. En canvi, si la qüestió és que una partícula deixa de moure’s ràpid i comença a rebaixar velocitat (el que succeeix quan refredem un cos), arribarà un punt en que no ho podrà fer més ja que es trobarà totalment quieta. No hi ha cap velocitat més petita ni insignificant que el 0. En aquest cas no valdrien ni 0,00001 ni 0,00000001 i així infinitament; ha de ser un zero absolut!

Quina temperatura presenta un cos el qual les seves partícules no es mouen (és a dir, que pràcticament no presenten energia)?

Aquesta inquietant pregunta fou contestada en el segle XVIII al extrapolar un gràfic de temperatura-energia. L’energia augmenta de forma continua amb la temperatura, i la línia que connecta ambdues magnituds pot projectar-se cap enrere per a observar quina temperatura correspon a un nivell d’energia nul, la qual és de -273,15 graus centígrads. Aquesta fita s’anomena zero absolut, i sí, és la temperatura més baixa que un cos pot assolir. Per tant, veiem que quan es tracta de fred i no pas de calor, sí que existeix un límit. Hi ha una escala de temperatures corresponent al zero absolut que s’anomena escala de Kelvin i es mesura en Kelvins (K). En aquesta escala el zero absolut, o sigui -273,15 graus centígrads, correspon amb el zero, per tant, la

temperatura de fusió de l’aigua es 273,15 K i la de ebullició a 373,15 K.

Existeix a la natura cap cos que presenti aquesta baixa temperatura?

Els científics opinen que en el nostre món no hi ha cap ésser viu, cos, objecte, etc. ni escenari que presenti aquesta baixa temperatura. De fet, el registre més baix de tota la història que s’ha donat en el planeta Terra fou el de -89º centígrads (o això es suposa). Inclús aquesta marca es troba a molta distància del zero absolut.

Sintèticament s’ha arribat mai al zero absolut?

Que a la natura no s’hi pugui trobar cap tipus de matèria amb aquesta temperatura no significa que al laboratori no s’hi pugui donar. Fa més de vint anys que els científics experimentals proven d’apropar-s’hi al màxim en els laboratoris. En l’any 1994, en un institut tecnològic dels Estats units, van arribar a les 700.000 milionèsimes de grau centígrad per sobre del zero absolut. I encara més, nou anys més tard, en un altre laboratori també dels EEUU, van aconseguir sobreposar-se a tan sols 500.000 milionèsimes de grau del zero absolut.

Tot i que s’ha estat molt a prop, cap laboratori ha arribat mai al zero absolut. De fet, se suposa que ni en el mateix univers hi ha cap punt on s’hi pugui donar aquesta temperatura, ja que tot ell està immers en radiació de microones de fons (producte de l’acció del Big Bang), que aporta aquella energia suficient per la qual la temperatura mitjana de l’univers es trobi a 2,7 graus centígrads per sobre del zero absolut. És per això que el zero absolut és una fita físicament impossible en el nostre univers.

Continua llegint »

Equilibri mecànic

A continuació analitzarem un dels dos estats d’equilibri que poden presentar més d’un sistema físic pròxim.

Equilibri mecànic:

Per tractar aquest tipus d’estat en equilibri aplicarem tres sistemes físics:

Suposem que tenim tres bidons (cada un dels quals es un sistema físic aïllat A, B i C) de mides idèntiques que en el seu interior contenen gas. Cadascun dels bidons presenta diferents pressions internes ja que cap dels tres té la mateixa quantitat de gas, el que significa que un bidó amb una gran quantitat de gas rebrà més pressió per part de les molècules gasoses en el seu interior que no pas un bidó que conté menys gas (que ho traduïm com una pressió inferior).

Si volem que els tres bidons continguin la mateixa quantitat de gas, o el que també serà la mateixa pressió, caldrà connectar els tres bidons o sistemes físics aïllats mitjançant unes boques que incorporen els bidons juntament amb claus de pas. Al connectar els tres bidons i al obrir les tres claus de pas, els gasos de tots tres bidons es sumaran en un sol gas i es distribuiran en l’interior de cada sistema físic no aïllat, produint que els tres sistemes es sumin en un sol, fent que la pressió quedi perfectament distribuïda en tot el nou sistema físic, o també podem dir, en els tres bidons.

En aquestes altures, si tanquem les tres claus de pas i separem els tres bidons (tornant a separar els tres sistemes) l’un de l’altre, comprovarem que ara la pressió del bidó A serà la mateixa que la que conté el bidó B i C. 

Muntatge dels tres bidons 

Què ha succeït?

Com hem dit anteriorment, al compactar els tres gasos en un, aquest s’ha distribuït de manera homogènia en l’interior del sistema igualant les pressions interiors de cada bidó. Un observador exterior a aquest experiment hauria pogut observar com el gas s’hauria anat movent i distribuint-se en l’interior dels bidons i ben probablement hauria observat algun canvi físic (com un augment de temperatura).Quan els tres bidons presenten la mateixa pressió diem que estan en equilibri mecànic. D’això es dedueix que l’equilibri mecànic es dóna quan tots els sistemes físics d’un grup tenen la mateixa energia.

Però què hauria passat si des d’un principi els tres bidons ja continguessin cadascun la mateixa pressió (o quantitat de gas)? Que senzillament llavors l’observador exterior als fets que anteriorment hem suposat no hauria observat cap canvi. Llavors podríem afirmar sens dubte algun que els tres bidons des d’un principi ja presentaven equilibri mecànic.

Continua llegint »

Calor

El terme calor l’utilitzem molt sovint en la nostra llengua per expressar una situació en la qual es dóna que la temperatura és molt alta i on el nostre cos sofreix canvis com; suar, no poder dormir; mals de cap, etc. Però ens equivoquem!, ja que la calor no es pot utilitzar com un subjecte (com fem constantment), doncs es tracta d’una mode de transmissió. És per això que titulem el següent apartat com:

CALOR, LA PARAULA UTILITZADA INCORRECTAMENT:

En un llibre de Física i química que utilitzava el curs passat de l’ESO hi apareixia una il·lustració un tant peculiar on un noi li comentava a una noia que; “feia molta calor”, i la seva companya li contestava dient que ; - deus voler dir que la temperatura és molt alta.
Aquesta conversa que es donava en el dibuix fou incompresa tan per mi com per tots els companys de classe, inclús fins i tot difícil de justificar per la nostra professora. A simple vista em va semblar que la companya simplement intentava fer més tècnica l’afirmació del noi, però una vegada vaig profunditzar en el tema, vaig comprendre que la noia corregia la frase del seu company donat que la calor no es pot utilitzar com a paraula de la manera que estem acostumats a fer-ho.


Per tant, si estem a la platja i un amic nostre ens diu que fa molta calor, malament! Ja que senzillament la "calor" no és un subjecte que nosaltres el pugem utilitzar per denominar les condicions d’una situació, com les que hem esmentat anteriorment, sinó que, filant prim, i des d’un punt de vista termodinàmic, la calor és un mode de transferència d’energia.


Posem un exemple:


Per aconseguir que l’aigua es trobi en estat d’ebullició serà necessari escalfar el líquid per a que aquest arribi a temperatures superiors als 100ºc. I com ho fem? Mitjançant un sistema que provoqui un canvi de temperatura de l’aigua (com per exemple un fogó). L’energia que va des del sistema fins a l’aigua i dóna empenta a les molècules del líquid és transferida en un procés el qual anomenem calor.

Aquesta il·lustració ens mostra clarament l’explicació de la calor en quan nosaltres escalfem aigua per fer-la bullir. Les partícules amb energia del foc xoquen i donen empenta a les de l’aigua fent que aquestes cobrin l’energia necessària per escapar l’una de l’altre i descompondre la seva formació molecular que posteriorment esdevindrà el vapor d’aigua.


La calor té molt a veure amb l’entropia:


En articles anteriors vam definir l’entropia com l’estat d’ordre de la matèria. I que aquesta, sempre tendia ha augmentar. Existeix alguna relació entre la calor i la entropia? Doncs sí.


Una de les qüestions que presenta la suposició de l’existència d’una llei que defineixi que l’ordre de la matèria tendeix a augmentar és; la raó per la qual veiem glaçons descompondre’s i no pas que una vegada s’han desfet es tornin a formar (com passar la pel·lícula al revés). Doncs bé, aquest fet es dóna de manera similar quan nosaltres volem refredar una beguda afegint-li un glaçó. Per què es desfà el glaçó i no pas es congela la beguda? Doncs per què la calor va dels cossos calents als freds, però no al revés. I com està estretament relacionat amb l’afirmació de que; l’entropia tendeix a un màxim, aquest màxim tan sols s’aconsegueix amb l’expansió de la calor per totes les parts de la manera més uniforme possible. És per això que al posar un glaço de gel en una beguda la calor flueix del líquid al glaço fent que aquest li augmenti la temperatura, es desfasi, i acabi refredant el refresc.

Una vegada assomit el significat de la paraula calor ens podem preguntar:
Quan un dia ha presentat altes temperatures no podem dir que ha sigut un dia calorós? Doncs no, més aviat hauríem de dir que la temperatura global del dia ha sigut alta.
És més, tampoc podem dir; escalfem la sopa, ja que seria més apropiat dir; anem a aconseguir una diferència de temperatura en la sopa. Però bé, què hi farem? La vida és curta i sembla ser que a vegades no cal complicar-se.


I per acabar, un apunt. A nivell social podem comprendre el verdader significat de la paraula calor tan sols cercant-la en un diccionari, ja que aquest ens dirà que la calor és: Forma d’energia de la qual la temperatura presenta les seves propietats (no és exactament la correcte definició però s’hi acosta).

Continua llegint »

Els forats negres (II): La radiació de Hawking

La formulació de la teoria de la radiació de Hawking explica com perden massa els forats negres i com poden emetre partícules en contra de la seva definició, ja que si fem memòria, en articles posteriors vam establir que un forat negre no permet despendre cap tipus de matèria a causa de la força gravitatòria que produeix. Aquesta idea va ser formulada pel físic britànic Stephen Hawking per tal de resoldre un problema dels forats negres, que qüestionava: Si un forat negre no perd massa i mai desapareix; com és que tot l’espai no esta ple d’ells? I com és que l’univers s’expedeix tot i amb la gran quantitat de forats negres que contindria? També hi ha un altre problema: S’estableix que un forat negre té entropia, però si realment en té, també tindrà temperatura i tot cos amb temperatura ha de radiar o, en altres paraules, transmetre calor a un altre cos amb menys temperatura que, en aquest cas, és l’espai que és troba al seu voltant.

L’entropia esta descrita en un article anterior, no obstant:

L’entropia és la mesura del grau de desordre d’un sistema físic.

La resposta als problemes és que els forats negres sí que desapareixen degut a una radiació anomenada radiació de Hawking, que explica com els forats negres perden massa i acaben desapareixent amb el temps.
En l’espai pròxim a l’horitzó d’esdeveniments del forat negre, ( mirar article ) hi ha fluctuacions del buit que fan que es creïn parells de partícula-antipartícula virtuals1, una amb energia positiva i l’altre amb energia negativa que s’atrauen mútuament per eliminar-se. Al estar tan a prop del forat negre tenen una gran probabilitat de caure en ell, tot i que la partícula amb energia negativa té més probabilitats de caure perquè té menys energia. Si la partícula amb energia negativa cau al forat negre aquest disminuirà la seva massa; això es pot deduir de la famosa i mundialment coneguda equació de la relació entre massa i energia:

Expliquem l'equació:

Aquesta equació ens diu que l’energia que conté un cos (E ) és directament proporcional a la seva massa (m) multiplicada per el quadrat de la velocitat de la llum (c2) . Per tant, un cos que tingui una massa de, per exemple, 55Kg, contindrà 4950000000J d’energia.
Tornem a la qüestió:
Amb una simple operació algebraica es pot deduir com augmenta la massa amb l’energia:

Com major és l’energia major és la massa, posem un exemple amb números petits:

Per tant, si la energia és negativa la massa també ho és:

El cos ha perdut massa degut a que ha absorbit energia negativa

Tornem als forats negres:

Llavors, el forat negre perd massa cada cop que cau una d’aquestes partícules en el seu interior. Passat el temps el forat acaba perdent tota la seva massa i evaporant-se. La longevitat de la vida d’un forat negre depèn de la seva massa; com més massa tingui un forat negre, major serà la seva vida tenint en compte que un forat negre augmenta la seva massa al absorbir qualsevol tipus de radiació o forma de matèria.

Com pot ser possible que un forat negre perdi tota la seva massa per culpa de unes partícules si està “constantment” tragant matèria? Doncs perquè el ritme al qual augmenta la seva massa és menor que el ritme al qual perd massa. Així, un forat negre, perd tota la seva massa i s’acaba evaporant.

Continua llegint »

Fletxa del temps

Per què el futur és el futur i no el passat?? Per què recordem el passat i no el futur?? Té alguna relació amb que l’univers s’expandeix i no es contrau??

Semblen preguntes idiotes que manquen de sentit comú, no obstant, durant molts anys d’investigació física, aquestes preguntes encara no disposen d’una solució sòlida.Tot i que el passat és allò que ha succeït anteriorment i el futur allò que encara no ha passat, hi ha alguna llei física que digui per què recordem el passat i no el futur?? Doncs sí: la segona llei de la termodinàmica.

Segona llei de la termodinàmica:

Bàsicament la segona llei de la termodinàmica diu que l’estat de la matèria creix de l’ordre al desordre. L’entropia d’un cos (el desordre d’aquest) sempre creix de menys a més.
Aquesta llei explicaria la raó bàsica per la qual nosaltres veiem gots que cauen de la taula i es trenquen, que no pas gots trencats que pugen a la taula i es recomponen. De la mateixa manera que també observem ous que ens rellisquen i es trenquen, i no ous trencats que pugen a les nostres mans i es recomponen.En el primer exemple, passaria el mateix en el segon, el got que està situat a sobre de la taula té una entropia baixa ( té ordre ), no obstant, al impactar contra el terra els trossos de vidre que componien el got s’espargeixen, l’aigua ocupa tot l’espai possible i ens hem quedat tan sols amb un “got” amb entropia alta ( té desordre ). Aquesta seria la manera de mirar-nos-ho des del punt de vista termodinàmic.

Significa això que si un got estable tingués entropia alta i un got trencat baixa veuríem gots que saltessin del terra a la taula?? Per tant, l’ordre del temps s’invertiria??

En teoria sí. Però aquí ja hi intervindria la llei de la gravetat que en principi consideria de tot menys probable que aquest fet succeís.
I responent a la segona pregunta, no. El desordre augmenta amb el temps perquè mesurem el temps a mesura que augmenta el desordre, si fos al revés, el futur seria el got compost i el passat el trencat, simplement.

Els científics han desenvolupat tres fletxes del temps diferents per explicar els fenòmens que succeeixen: la fletxa del temps termodinàmica, la psicològica i la cosmològica.

Fletxa del temps termodinàmica:

La fletxa del temps termodinàmica és la relacionada amb la segona llei de la termodinàmica que hem vist anteriorment.
Aquesta fletxa ens condueix cap al futur basant-se en l’ordre de l’estat de la matèria.
Fletxa del temps psicològica:

La fletxa del temps psicològica és la que, des d’un record del passat, ens porta a un desconegut futur. Aquesta fletxa del temps, juntament amb al fletxa del temps termodinàmica, explica el per què recordem el passat i no el futur.
Posar un exemple amb la ment humana és força complicat ja que amb prou penes sabem com funciona, no obstant, Stephen Hawking, des del seu llibre La teoria del tot, ens recomana utilitzar com a exemple la memòria d’un ordinador.

La memòria de l’ordinador és un dispositiu que pot estar en un dels dos estats ( ordenat o desordenat ). Per tant, abans de registrar una dada, la memòria té les mateixes probabilitats d’estar en estat de baixa entropia o d’alta entropia.

Una vegada que la memòria interacciona amb el sistema que ha d’enregistrar ( en el cas dels humans que haguéssim de recordar ) ha d’utilitzar una certa quantitat d’energia per poder fer-ho. Aquesta energia es dissipa en forma de calor i augmenta l’entropia de l’univers.
Ara saps que quan un ordinador porta moltes hores treballant i notes que està calent, realment està augmentat l’entropia de l’univers a partir de l’energia que aporta a l’atmosfera en forma de calor.

Fletxa del temps cosmològica:

Com que en entrades anteriors ja vam tractar el tema de l’expansió de l’univers seria pèrdua de temps tornar-ho a explicar. Però si en aquella ocasió no et va quedar el tema gaire clar, ara te’n faig cinc cèntims:

L’any 1929 Edwin Hubble observa que diverses galàxies es separen unes amb les altres arribant a la conclusió de que l’univers s’expandeix.
La idea que aporta la fletxa del temps cosmològica és en resum aquesta, que l’univers s’expandeix.
Les tres fletxes del temps expliquen realment la segona llei de la termodinàmica però en tres punts de vista diferents. En aquest cas, es creu que en el principi de l’univers regnava la baixa entropia i que cada cop que més creix més augmenta.


L’univers creix i el temps va cap endavant, però si es contragués, el temps s’invertiria??

Anteriorment es creia que si l’univers de cop i volta es contragués la gent viuria la vida que viu actualment amb un univers que s’expandeix però a la inversa. En la fase de contracció les persones viurien enrere. Moririen abans de néixer i serien més joves a mesura que l’univers s’anés fent cada cop més petit. Aquesta idea és atractiva per què suposaria una bonica simetria entre les fases d’expansió i contracció.

Com he dit això es creia anteriorment. Un col·lega de treball de Stephen Hawking, Don Page, va demostrar que la condició d’absència de frontera de l’univers no exigia que la fase de contracció fos necessariament la inversa temporal de la fase d’expansió, com creia el mateix Stephen Hawking.
Per tant, aquesta idea d’un món al revés ha quedat eliminada.

1 L’absència de frontera de l’univers suposa que, tot i que no és infinit, l’univers no té frontera. Passa el mateix amb el nostre planeta, tot i que té unes dimensions de diàmetre conegudes si les superes mai cauràs per un precipici (si que passaria si la terra fos plana) sinó que passaràs diversos cops pel punt de sortida.

Continua llegint »