Termodinámica de los sistemas irreversibles
NOTA PRELIMINAR: La termodinámica ha conocido en el Siglo XX una profunda evolución, que la ha ido despojando, más y más, de su carácter abstracto, desconectado del modo de existir y evolucionar de los sistemas concretos.
Ilya PRIGOGINE, químico belga de origen ruso, Premio Nobel 1977, ex presidente de la International Society for the Systems Sciences y creador de la termodinámica de los sistemas irreversibles, escribe sobre el tema:
“...hasta los termodinámicos trataron de eludir el problema del tiempo que planteaba su propia teoría. CLAUSIUS, por ejemplo, enunció dramáticamente, desde luego, el Segundo Principio (Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu - La entropía del Universo aspira a su valor máximo)... Por lo tanto, se atrincheró en el estudio del estado de equilibrio, situación final de toda la evolución termodinámica dentro de un "sistema aislado". De esta manera, la termodinámica se especializó, precisamente, en el estudio de estos estados, en los que la asimetría fundamental de los procesos físicos ya no se manifiesta" (I. PRIGOGINE - T.S.I., p. 84).
Dice también PRIGOGINE: “... la segunda ley de la termodinámica expresa tal vez la ruptura de simetría más fundamental en el mundo físico, que a su vez posibilita otras rupturas de simetría...” (T.S.I., p. 131).
Y agrega: “Necesitamos una teoría de la diversidad cualitativa, de la aparición de lo cualitativamente nuevo” (T.S.I., p. 69).
La simetría de que habla PRIGOGINE se refiere al tiempo. Su ruptura prescribe la irreversibilidad de los procesos.
A partir del momento en que nos ocupamos de sistemas concretos, nos encontramos con dos tipos distintos de situaciones, ambas relativas a sistemas irreversibles:
- Sistemas que mantienen su estabilidad dentro de límites (homeostasis) y, por lo tanto, su identidad por un tiempo más o menos largo. Estos sistemas usan la energía que obtienen de su entorno para mantener esa identidad. Se estabilizan dinámicamente, y producen la cantidad mínima posible de entropía. Son autopoiéticos.
- Sistemas que reciben una sobrecarga de energía que no pueden asimilar y que los aleja considerablemente de su punto de equilibrio, hasta un eventual umbral de inestabilidad.
De estos sistemas trata la siguiente serie de artículos basados en textos de I. PRIGOGINE.
Con el fin de tratar el tema en su orden lógico, no está respetado, en este caso, el orden alfabético.
- Irreversibilidad
- Orientación unívoca en el tiempo que el Segundo Principio de la termodinámica impone a la evolución de todos los sistemas concretos.
- Un sistema concreto no puede nunca conocer una evolución retrógrada, o sea repetir en sentido inverso los sucesivos estados que ha conocido en el pasado (“El río no vuelve a su fuente” - ningún anciano se torna niño).
- Ello no significa que un sistema no puede conocer repeticiones (eventualmente por ciclos) de estados parecidos a los anteriores. Pero no se debe confundir “ciclo” con “reversibilidad”.
- Termodinámica (Segundo Principio de la)
- Caben algunas interpretaciones complementarias:
- En las condiciones (puramente teóricas) de un sistema aislado (o sea que no recibe energía), la entropía no puede sino crecer hasta llegar a un máximo, que corresponde a la total desestructuración del sistema e incapacidad de cumplir función alguna - o sea la pérdida de su carácter de sistema.
- En las condiciones de un sistema concreto que recibe energía de su entorno, es posible durante un tiempo más o menos largo el crecimiento y el mantenimiento de su organización interna (autopoiesis - homeostasis - identidad), pero a condición que el sistema produzca constantemente entropía suplementaria en un cierto nivel, evacuándola hacia el entorno, por ejemplo por emisión de calor.
- Si la energía que recibe el sistema es excesiva en relación con su grado de organización, lo acerca a un umbral de inestabilidad por medio de fluctuaciones de amplitud creciente.
- Fluctuación
- Variación de amplitud y periodo regular o irregular de un proceso, en torno a una posición de equilibrio; en general, dentro de limites que permiten mantener la estabilidad dinámica del sistema.
- Algunas fluctuaciones, sin embargo, alejan definitivamente al sistema de la estabilidad dinámica:
- las que producen una discontinuidad destructiva del sistema (Ver: Explosión)
- las que van acompañadas por la aparición de estructuras disipativas y de una gradación en la organización del sistema.
“Sólo resisten a la difusión homogeneizante las fluctuaciones cuya dimensión excede una dimensión crítica” (I. PRIGOGINE - T.S.I., p. 116).
- J. de ROSNAY comenta:
“Cada fluctuación aleatoria es una posibilidad de organización nueva, o una información, en cierta manera. Amplificada por retroacción positiva, cualquier fluctuación constituye entonces un generador aleatorio de variedad, base de toda evolución” (J. de ROSNAY - M., p. 218).
- CHANG-GEN BAHG comenta:
“Antes de la formación de una estructura disipativa, la fluctuación actúa como disparador para la auto-organización de los sistemas; ulteriormente la fluctuación se transforma en un factor que socava la estructura ordenada ya formada y lleva un sistema inestable a transitar hacia una nueva estructura ordenada” (“Mayor Systems Theories throughout the world” - Behavioral Science - Vol. 35 - 1990, p. 24).
- Fluctuación catastrófica
- Proceso macroscópico que desarrolla una oscilación que no puede ser revertida (M. EIGEN & R. WINKLER - Sp., p. 380).
- Disipativa (Estructura)
- Estructura que se forma en un sistema que recibe un exceso de energía desde el entorno y disipa dicho exceso hacia el entorno. Lo importante es que el sistema reacciona al exceso de ingresos de energía mediante la formación de nuevas estructuras. Algunos ejemplos son: las estructuras de BENARD, que se forman en un líquido llevado a ebullición; las zonas que caracterizan a las reacciones químicas de BELOUSOV - ZHABOTINSKY y, probablemente la formación de redes hexagonales en la ocupación humana del territorio (CHRISTALLER).
- Las estructuras disipativas no son cualesquiera, sino que corresponden a constricciones propias del sistema y de su entorno como, por ejemplo, limitaciones espaciales, o campos energéticos (Teoría de los vórtices de Ch. LAVILLE).
“... (la estructura es capaz de) crear sus propios límites alcanzando una dimensión “natural”, determinada por el funcionamiento del propio sistema; en el interior de la estructura, el espacio se halla organizado en función del régimen disipativo” (I. PRIGOGINE - T.S.I., p. 105).
- Normalmente, la función de disipación que se establece lleva hacia un umbral de inestabilidad, más allá del cual el sistema puede emerger transformado, con un nivel superior de organización, y encontrar de nuevo condiciones de estabilidad dinámica.
- Sistema alejado del punto de equilibrio
- Sistema que se encuentra cerca de un umbral de inestabilidad por presentar fluctuaciones de amplitud siempre mayor.
- En la medida que el sistema no franquea el umbral, sigue estable en el sentido de LIAPUNOV (Ver: Estabilidad de LIAPUNOV en: Catástrofes (Teoría de las-).
- Comenta PRIGOGINE: “... la estabilidad, en el sentido de LIAPUNOV, es equivalente a la propiedad de continuidad uniforme (bien conocida en el cálculo diferencial), respecto de las condiciones iniciales” (G. NICOLIS e I. PRIGOGINE - S.O.N.S., p. 65).
- El sistema puede conocer varios estados alternos (o estados estacionarios múltiples) y conservar, sin embargo, su estabilidad global, siempre que no franquee el umbral (P. GLANSDORFF e I. PRIGOGINE - S.S.F., p. 257 a 268).
- Metaestabilidad
- Estado de un sistema que se encuentra muy cerca de una situación de inestabilidad.
- PRIGOGINE comenta: “Un sistema suficientemente complejo se encuentra, en general, en un estado metaestable. El valor del umbral depende, a la vez, de los parámetros del sistema y de las condiciones del entorno (I. PRIGOGINE - P.T.D., p. 157).
- Cita como ejemplos una selva tropical y las sociedades humanas.
- Transición “todo o nada”
- Discontinuidad que se produce al cruzar el sistema un umbral de inestabilidad.
- Asimilable a una catástrofe de THOM (Ver: G. NICOLIS & I. PRIGOGINE - S.O.N.S., p. 174 a 178).
- Bifurcación (Punto de)
-
- Punto de inestabilidad del sistema donde se originan nuevas estructuras, a partir de fluctuaciones gigantescas, estabilizadas por un flujo de materia y, o energía (I. PRIGOGINE - T.S.I., p. 160-2).
- Punto crítico a partir del cual un nuevo estado se hace posible (I. PRIGOGINE e I. STENGERS - N.A., p. 167).
- Es el origen de toda innovación, en cualquier tipo de sistema, y la explicación general de todo lo que conocemos como evolución, diferenciación, estructuración, complejidad e inventividad.
- Es fundamentalmente diferente de la homeostasis y de la autopoiesis, que garantizan la conservación de los sistemas ya existentes, en su nivel específico de organización.
- PRIGOGINE comenta:
“Lejos del equilibrio, la actividad de las unidades constitutivas del sistema se hace esencial. Ya no es posible establecer una media sobre el conjunto de los estados, ya que algunos de ellos se amplifican y predominan a escala macroscópica, mientras que, próximos al equilibrio, habrían quedado condenados por la ley de los grandes números. Las matemáticas que corresponden a esta situación física, la teoría de las bifurcaciones, la de las catástrofes, están en las antipodas de la física matemática del siglo XIX: para unas condiciones, en unos límites determinados, el sistema puede hallarse en muchos estados distintos, y es la fluctuación la que selecciona el que se alcanzará en definitiva (I. PRIGOGINE - T.S.I., p. 89).
- Un ejemplo excelente puede ser la intervención humana como modificadora de los sistemas ecológicos naturales.