La mecánica a comienzos del siglo XIX experimentó cambios notables, que acabarían desembocando en la teoría de la relatividad y en la mecánica cuántica, teorías incompatibles en muchos aspectos con la mecánica clásica. Frente al antiguo mecanicismo aparecieron otros modelos teóricos basados en la termodinámica que acabarían sustituyendo al modelo mecánico determinista. Pese a todos los avances científicos no se produjo una ruptura inmediata con el sistema mecánico determinista, ya que el hecho de ciertos fenómenos pareciera no siguieran las leyes deterministas de la ciencia no quería decir que el mundo no siguiera otras leyes no descubiertas por la ciencia y que su desconocimiento se debiera a nuestra ignorancia o a la incapacidad para descubrirlas y no a manifestaciones que del azar y la incertidumbre.
El reduccionismo mecanicista Laplaciano, con su fe en la existencia de leyes universales, esperaba que pudieran inventarse máquinas de calcular infinitamente rápidas, potentes y precisas con las que poder realizar las operaciones matemáticas que necesitaba el demonio de Laplace y, con ellas, poder realizar el sueño determinista de predecir el futuro y conocer el pasado tanto en el mundo físico como en el mundo biológico y social.
Pero el sueño determinista lo vino a truncar la segunda ley de la termodinámica que señalaba que había procesos físicos que eran imposibles. No era posible, por ejemplo, hacer que en un sistema aislado, el calor pasara de forma espontánea de un cuerpo frío a otro caliente. Para ello era necesario realizar un trabajo sobre el sistema, como ocurría en un frigorífico.
Hacia 1845, J. P. Joule (1818-1889) y J. R. von Mayer (1814-1878) habían aclarado la naturaleza del calor y su equivalente mecánico, llegando al enunciado del primer principio de la termodinámica, que puso el foco en la energía y su conservación. Pero, en 1850, R. Clausius (1822-1888) enunció el segundo principio de la termodinámica en una memoria presentada en la Academia de Ciencias de Berlín titulada Sobre la fuerza motriz del calor, en la forma siguiente: el calor no puede pasar de un cuerpo frío a uno más cálido espontáneamente u un año después su colega británico W. Thomson, lord Kelvin (1824-1907) enunció también el mismo principio, de forma distinta pero equivalente. Las dos formulaciones primarias son:
Enunciado de Clausius: Es imposible un proceso cuyo único resultado sea transferir energía en forma de calor de un objeto a otro a mayor temperatura.
Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y la conversión de este calor en trabajo.
En 1865, partiendo de los estudios de S. Carnot (1796-1832) sobre los ciclos de calor, Clausius introdujo el término entropía. La entropía se puede expresar diciendo que es la proporción de energía que no es capaz de producir trabajo en un sistema. Igualmente, Clausius demostró que en un proceso irreversible la entropía de un sistema siempre aumentaba. El cambio de punto de vista es profundo, ya que la forma de los procesos que estudiaba la física eran idealizados y reversibles; se estudiaba el movimiento sin rozamiento, la trasferencia de calor en un proceso pensando en una diferencia infinitesimal en la temperatura o la corriente eléctrica a través de un conductor de resistencia cero, mientras que los procesos naturales no eran tan ideales ya que todos eran irreversibles. Por lo tanto, era imposible hacer que la entropía del universo (o de cualquier sistema aislado) disminuyera.
En otras palabras, la segunda ley de la termodinámica implicaba fundamentalmente que los procesos en los que intervenía el calor sucedían espontáneamente sólo en un sentido: el que iba del foco caliente al frío. Así un barco no puede tomar de forma espontánea calor del mar para su calefacción, dos líquidos (por ejemplo, el alcohol y el agua) se pueden mezclar rápida y espontáneamente por sí mismos, pero no pueden desmezclares espontáneamente.
Las consecuencias de las leyes de la termodinámica fueron muchas y su influencia contribuyó notablemente en la forma de acercarse al conocimiento del mundo. A continuación, se exponen algunas ideas que surgieron:
Lord Kelvin, anunció que el fin del mundo en un final denominó la muerte térmica. Pronosticó que el fin del mundo llegaría, cuando todos los cuerpos del universo alcanzaran la misma temperatura a la que se llegaría debido al intercambio espontáneo e irreversible de calor entre los cuerpos a diferentes temperaturas. Cuando todos los cuerpos alcancen la misma temperatura será imposible producir trabajo útil, ya que el trabajo solo se puede producir, a partir de máquinas térmicas, cuando el calor fluya de los cuerpos de mayor a menor temperatura y no se puede producir trabajo sin diferencia de temperaturas.
También se utilizaron métodos termodinámicos para calcular la edad de la Tierra. Recordemos que, hasta comienzos del siglo XIX, se estimaba la edad de la Tierra en unos pocos miles de años. El obispo J. Usher (1581-1656), en 1611, basándose en datos de la Biblia, fijó el momento de la creación en el 26 de octubre del año 4004 a. C. Algunos naturalistas como Ch. Lyell (1797-1875), estimaban en la primera mitad del siglo XIX, que los procesos geológicos de formación de la corteza terrestre hacían pensar en una edad de miles de millones de años.
Kelvin haciendo uso de innumerables datos experimentales de la conductividad térmica de la rocas calculó, suponiendo que la Tierra había nacido como una roca fundida, el tiempo que había tardado en enfriarse era de solamente unos noventa y ocho millones de años. Resultado que no respondía a la realidad, pero que marcaba un método matemático fecundo.
La termodinámica también sirvió para dar explicación física a la irreversibilidad y del sentido unidireccional de tiempo, lo que se llama flecha del tiempo. El término fue acuñado en 1929 por el físico británico A. Eddington (1882-1944). La entropía es el fundamento físico que nos permite explicar por qué los sucesos del mundo parecen orientados temporalmente. Pensemos que la entropía es una magnitud física que mide la cantidad de desorden de un sistema. Así, cualquier sistema físico aislado, que no reciba energía del exterior, tiende a perder su grado de organización (las temperaturas de equilibran, las alturas se nivelan, el movimiento se ralentiza) y, si no se le agrega energía, el sistema se desordena y, por tanto, la entropía crece. De este modo la entropía se puede utilizar como una medida de la desigualdad entre el pasado y futuro, dando una explicación física a la flecha del tiempo. Ley de la entropía especifica que el universo evoluciona de un estado más ordenado hacia otro más desordenado. Podemos concluir que el universo evoluciona siempre hacia un estado de menor información o de destrucción de información. La idea de irreversibilidad nos proporciona la idea de la pérdida de la calidad de la energía mediante la actividad humana. Nos señala que es más fácil destruir que construir y ello nos permite discernir el pasado del futuro.
La termodinámica permitió relacionar la evolución de la humanidad con la disponibilidad de energía eficiente. El término ecología fue acuñado en 1866 por E. Häckel (1835-1919) que fue integrante notable del grupo de constructores de lo que cien años después se llamaría economía ecológica. En este grupo había muchos científicos que fueron premios Nobel, como W. Otswald (1853-1932), premio Nobel de Química en 1909 o F. Soddy, Nobel de Química, en 1918. Soddy publicó en 1926 Riqueza, riqueza virtual y deuda donde argumentaba que el bienestar real se derivaba del uso de la energía para transformar los materiales en bienes y servicios, en clara oposición a la visión de la economía monetaria tradicional. Sus escritos fueron prácticamente ignorados, aunque en las últimas décadas del siglo XX han sido recuperados en el ámbito de la economía ecológica. Ver https://www.ecologiapolitica.info/frederick-soddy/
La termodinámica aporta criterios racionales para la construcción de un sistema económico respetuoso con el entorno, con la naturaleza e incluso de la vida social.
Además. como la física, dejando aparte teorías animistas y visiones creacionistas, parte de que la vida surge de la materia inanimada. En buena parte de las exigencias para que un ser vivo mantenga la vida, ésta debe seguir los principios de la máquina de vapor que mantiene en movimiento gracias a la energía que le suministra el carbón de la caldera. En este sentido, el mantenimiento de la Tierra, en su estado actual, la propia vida de los animales y de los seres humanos se mantiene con un ingreso de energía que procede del Sol y que es utilizada (se acostumbra a considerar consumida) por los seres vivos. En este sentido los seres vivos tenemos los mismos problemas energéticos que una máquina de vapor.
Admitiendo esta realidad física, el comportamiento, las costumbres y leyes humanas no deben ir en contra de los principios de la termodinámica. Los problemas físicos de la humanidad y de la vida individual, como cualquier máquina térmica, son problemas energéticos.
