Eureka!

El joc
Imaginem-nos un molí d’aigua al costat d’una piscina. Imaginem-nos que fem la força necesària perquè la roda del molí comenci a girar i creï un corrent d’aigua a la piscina. Imaginem-nos que aleshores aprofitem aquest corrent per fer girar la roda del molí, i que el molí generi prou energia per fer girar la roda i mantenir el corrent d’aigua que la fa girar…
És això possible? Sí ho fos, se’ns haurien acabat de cop tots els problemes energètics: només hauríem d’endollar les coses un moment (l’equivalent a donar l’empenta inicial a la roda del molí)… i funcionarien per sempre! No és d’estranyar, doncs, que molts científics hagin dedicat temps i esforços anant al darrera d’aquestes maquines de moviment perpetu.
Malhauradament, però, la resposta amb què van topar va ser “no”. Aquesta és la història de les seves decepcions i de la ciencia que en van construir: la termodinàmica.

Regla número u: no pots guanyar
Podem començar preguntant-nos si aquest molí seria capaç de generar més energia de la que li cal per mantenir el corrent que el fa funcionar, de manera que n’hi sobrés per fer alguna cosa més.
La nostra experiència diaria ens diu que totes les màquines (ja sigui el motor d’un cotxe o la la placa base d’un ordinador) s’escalfen mentre funcionen. Tenim doncs, tres tipus diferents d’energia en dansa: la que alimenta i fa funcionar la màquina, la que n’obtenim de la màquina (útil), i la que es perd en forma de calor (inútil). La primera llei de la termodinàmica ens diu que l’energia necessària perquè la màquina funcioni és igual a la suma de l’energia útil n’obtenim i l’energia inútil que es dissipa en forma de calor. El signe igual d’aquesta eqüació vol dir que mai podrem obtenir d’una màquina més energia de la que li donguem…

Regla número dos: no pots empatar
Un cop van assimilar que una màquina no ens donarà mai més del que nosaltres li donem a ella (des d’un punt de vista energètic!), els científics es van preguntar si en podríem obtenir el mateix. Segons la llei anterior, això ho aconseguiríem amb una màquina que no malbaratés energia en forma de calor (que treballés sense escalfar-se). Però, un cop més, és possible?
Desgraciadament, la segona llei de la termodinàmica (que estableix que en un sistema aïllat el calor passa dels cossos calents als freds, però no a l’inrevés) ho impedeix. Malgrat tenir un aspecte bastant inofensiu, la que probablement sigui la llei més simple i intruitiva de la física és també una de les més importants, i una de les seves conseqüències és la impossibilitat de transformar al 100% l’energia que aportem en treball útil. Sempre en perdrem una part en forma de calor.
Aquesta mateixa llei es pot enunciar de moltes maneres, una de les més freqüents és la que ens parla de l’entropia i del seu augment. Aquesta és una de les lleis més importants de la física justament perquè és una de les poques que en la seva expressió algebraica no hi ha cap signe igual sinó una desigualtat. És la llei que explica perquè podem treure la pasta de dents del tub però després no la podem ficar a dins.
De totes maneres, l’enunciat més divertit que conec d’aquesta llei és d’en Woody Allen: “tot se’n va a la merda”. Una manera un xic escatològica, però molt clara, de referir-se al que oficialment es coneix com la mort tèrmica de l’univers.

Regla número tres: no pots abandonar el joc
Malgrat tot, semblava que la segona llei deixava una escletxa per on fugir: el zero absolut. Teòricament, a aquesta temperatura (uns -273,16ºC) no es dissiparia gens d’energia en forma de calor i els científics es van volcar, comprensiblement, en una autèntica cursa cap a la conquesta del zero absolut. Però què significa el zero absolut? A nivell microscòpic, la temperatura d’un objecte està relacionada amb el moviment dels seus àtoms, de manera que assolir el zero absolut significa aturar completament el moviment de totes les partícules subatòmiques d’un cos. Però, és clar, si no hi ha cap moviment la màquina no funcionarà… vindria a ser com deixar de jugar.
En la recerca del seu greal particular, els físics es van trobar amb alguns descobriments sorprenents, com la superconductivitat i la superfluïdesa, però també amb una nova decepció: la tercera llei de la temodinàmica, que estableix que el zero absolut és inassolible. De fet, aquesta llei la podem relacionar amb el principi d’incertesa d’Heisemberg, que no ens permet aturar completament una partícula subatòmica perquè equivaldria a una localització espacial perfecta. El principi d’incertesa és un altre enunciat fonamental de la física, i també es correspon a una expressió algebraica on no hi trobem cap igualtat sinó una desigualtat.

Conclusió
La termodinàmica comença dient-nos que és impossible trobar-nos amb un procés en el que es guanyi energia, la segona llei matisa que tampoc és possible un en el que no se’n perdi, i l’estocafa final ens arriba amb la tercera llei on se’ns diu que pretendre aturar els procesos és una altra utopia.
La dita llatina dura lex, sed lex (la llei és dura, però és la llei) també s’aplica a les lleis de la natura…