entropia y neguentropia

Entropía y Neguentropía

Entropía y Neguentropía

Universidad Nacional Agraria de la Selva

Facultad de Ingeniería en Informática y Sistemas

LA ENERGIA Y LOS SISTEMAS


Cada acto que realizamos en el transcurso del día, implica fuerza y energía. Todo sistema diseñado para alcanzar un objetivo requiere de energía que recibe a través de las corrientes de entrada y en las formas más diversas (vapor, alimento, oxígeno, dinero, etc.)

La energía dentro del sistema puede convertirse en cinética o potencial:



La energía cinética se encuentra relacionada con la velocidad de un cuerpo, aunque parte de ella se pierde por la fricción de éste con el medio ambiente. Por ejemplo, el trabajo que realizamos al caminar se transforma en energía cinética y en pérdida por la fricción.

La energía potencial se encuentra relacionada con la masa del cuerpo y los cambios de altura; es la que contiene una cascada.

Al realizar un trabajo, los sistemas generan ambas formas de energía: la potencial y la cinética.Al realizar un trabajo, los sistemas generan ambas formas de energía: la potencial y la cinética.

LA TERMODINÁMICA Y LA ENTROPIA


La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro.

A las magnitudes macroscópicas que se relacionan con el estado interno de un sistema se les llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar a determinar la energía interna del sistema.



Todo proceso sea natural o diseñado implica la utilización o transformación de energía. Las leyes que rigen todo fenómeno derivan de los principios de la termodinámica.

La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes:

La Ley "cero", referente al concepto de temperatura,

La Primera Ley de la termodinámica, que nos habla de el principio de conservación de la energía (cantidad de energía).

La Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a la entropía (calidad de energía).

LEYES DE LA TERMODINÁMICALEYES DE LA TERMODINÁMICA

Si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.

Estas temperaturas constantes de ambos cuerpos, se conoce con el nombre de “equilibrio estadístico”.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICALEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

t2t1

t1 > t2

t2t1

t1 = t2

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICALEY CERO DE LA TERMODINÁMICA



Relacionada con el avance de las fases del ciclo de vida, va un incremento en la entropía del sistema, concepto asociado con la 2da ley de la termodinámica.

Nace

Crece

Desarrolla

Muere

Cuando termina su cliclo de vida, entra a lo mas probable q es la muerte, por lo que se genera una entropia y si el sistema es cerrado, se aniquila el sistema.

La Primera Ley, de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará.

A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos.

Q (CALOR) = EI – W

La Primera Ley, de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará.

A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos.

Q (CALOR) = EI – W

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA


Establece que:

La cantidad total de energía del universo (un sistema cerrado) se conserva constante”. Esto es: en un sistema cerrado la energia no se crea ni se destruye, sólo se transforma.



A partir de los años 1850, con estudios de Kelvin, Carnot y Clasius se manifiesta una jerarquía entre las diferentes formas de energía y una asimetría en las transformaciones.

Tales jerarquías y asimetrías, son la base de la formulación del segundo principio termodinámico que postula que la calidad de la energía se degrada de manera irreversible.

En efecto la energía química, mecánica o eléctrica pueden transformase casi íntegramente en calor. Pero la transformación inversa no puede realizarse plenamente sin aporte externo y sin la pérdida obligatoria de energía en calor irrecuperable.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA




Esto no implica que podamos decir que la energía se destruye; significa mas bien que alguna energía se hace indisponible para realizar trabajo útil.

La irreversibilidad de la no disponibilidad de energía en el universo, fue planteada y medida por primera vez por R. J. Clasius en 1865, fue llamada ENTROPIA (del griego entropé, que significa “cambio”.



En términos más o menos sencillos diría lo siguiente: "No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo”

Clausius, ingeniero francés, también formuló un principio para la Segunda ley: "No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente".

En base a este principio, Clausius introdujo el concepto de entropía, la cual es una medición de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo y nos determina también la dirección de dicho proceso



¿Qué sucede cuando los dos objetos no poseen la misma temperatura?



La 2da. Ley de la Termodinámica: indica existirá un flujo neto de energía y siempre desde el cuerpo más caliente al más frío.

Una mejor forma de expresar esta Ley es utilizando consideraciones probabilísticas; cuando ciertos estados del sistema son más probables que otros, el sistema siempre se moverá en la dirección del estado más probable.

El Cambio de estado más ordenados u organizados a estados menos ordenados y organizados, es una cantidad definida y medible, denominada “Entropía”

“En un sistema cerrado, LA ENTROPIA aumentará siempre (creciente) durante un proceso irreversible hasta llegar a un máximo desorden y el proceso acabará por detenerse en un estado de equilibrio pleno”.

ENTROPIAENTROPIA

ENTROPIAENTROPIA

La entropía ejerce su acción en los sistemas aislados, es decir, en aquellos que no comercian con su medio. Luego es posible afirmar concretamente que estos sistemas se encuentran condenados al caos y a la destrucción. Los objetos físicos tienden a ser sistemas cerrados y éstos, evidentemente, tienen una vida limitada.

La entropía de un sistema aislado aumenta si dentro de él suceden cambios irreversibles; y permanece constante, si solamente ocurre cambios reversibles dentro de él, por lo que, la entropía del universo –sistema presuntamente aislado- siempre aumenta.

EN

TR

OP

IAEN

TR

OP

IA

EN

TR

OP

IAEN

TR

OP

IA

Por lo que cuando hablamos de entropía, junto a ella aparecen conceptos como desorden, orden, número de estados, irreversibilidad, espontaneidad, información, neguentropía, entre otros.

ENTROPIAENTROPIA

ENTROPIAENTROPIA

PROCESOS ESPONTANEOS

Transferencia de calor de la parte (o cuerpo) mas caliente hacia la mas fría.

Flujo de fluidos desde una posición con mayor energía potencial (parte mas alta) hasta otra con menor energía potencial (parte mas baja)

ENTROPIAENTROPIA

Puede referirse a la entropía, a situaciones reales como una medida de desorden, la desorganización del crecimiento de los sistemas, así como la falta o pérdida de la información. Pero ¿Cómo puede representarse una energía degradada?

Además pareciera que existiera una contradicción entre la primera y segunda Ley de la Termodinámica: aquella declara que el calor y la energía (en general) son dos entidades del mismo género, la última que no lo son, por que la energía potencial se degrada irreversiblemente en una forma inferior menos noble, de menor calidad en calor.

ENTROPIAENTROPIA

La solución es brindada por la teoría estadística: ciertamente el calor es una manifestación de energía. Concretamente se trata de una energía cinética. Pero en su forma de calor, esta energía se reduce a un estado de desorden máximo en el cuál cada movimiento individual es neutralizado.

La energía potencial es energía ordenada; el calor por su parte, representa energía desordenada. El desorden máximo es la entropía.

Ej. Moléculas de un gas en un pistón y moléculas del mismo gas libres en el medio ambiente

Entropía es una medida de desorden relativo de un

sistema


sistema

La entropía es el fenómeno que explica el hecho de que, mientras la energía total de un sistema permanece constante, con el incremento en entropía esa energía puede ser utilizada cada vez ,en menor medida.

Todos los sistemas cerrados incrementan su entropía hasta llegar a un estado final permanente en el cuál no ocurre espontáneamente ningún suceso observable: a un estado de equilibrio estático, termodinámico o de máxima entropía.

Todo esto es valido para los sistemas cerrados.


sistema


sistema

La 2da. Ley de la Termodinámica puede formularse e interpretarse de diversas maneras, no únicamente como una medida de desorden de los sistemas. Puede asociárselas con deterioro, homogeneidad y la probabilidad.

Cuando ciertos estados son más probables que otros, el sistema tenderá (si es cerrado) a moverse en dirección del estado mas probable.

Ejm. Caso de 2 recipientes conectados llenos de gas, el perfume de un frasco en la habitación.

En el ejm. La condición mezclada es la de mayor aleatoriedad, de mayor desorden: es el estado de mayor entropía, ya que surge espontáneamente de la condición no mezclada.


sistema


sistema

La Entropía es entonces: una medida del grado de aleatoridad de un sistema.

Muchos sistemas físicos pueden considerarse cerrados y por tanto tienden a un estado mas probable de deterioro, caos y destrucción.

Ejm La esfinge egipcia, una empresa.

Cuando un sistema no vivo es aislado y colocado en un medio uniforme, todo movimiento muy pronto llega a un punto muerto.

¿Que pasa con los Sistemas abiertos o los sistemas vivos?

Los sistemas vivos evitan ese decaimiento que observamos en los sistemas cerrados; comiendo, bebiendo, respirando y en el caso de las plantas asimilando.

La entropía, es un concepto que proviene de la física y es una conclusión a que se llega a partir de la segunda Ley de la termodinámica.

ENTROPIAENTROPIA

Una característica de los sistemas es la entropía, en los sistemas sociales tienen ciertos efectos, especialmente por la relación que tienen con los problemas de la organización, de la información y de la comunicación.

Según la segunda ley de la termodinámica, los sistemas en general tienen la tendencia a alcanzar su estado más probable.

En el mundo de la Física el estado más probable de esos sistemas es el caos, el desorden y la desorganización.

Entropía y los Sistemas Abiertos


ENTROPIA: Ejemplo

ENTROPIA: Ejemplo

Ejemplos Los hinchas de un equipo de

fútbol que van al estadio frecuentemente.

Cualesquiera ama de casa sabe el trabajo que cuesta mantener una casa en un estado de Orden y lo fácil que es el desorden.



Todo oficial sabe que la marcha ordenada de los soldados, logradas después de largos u arduos esfuerzos, degeneran rápidamente en desorden cuando se pierde la disciplina.

La Neguentropía y la subsistencia de los

Sistemas


Sistemas

La simple observación del transcurso histórico de numerosos sistemas, parece contradecir este aspecto de la ley de la entropía siempre creciente.

Ejemplo. La iglesia Católica al cabo de 2000 años de

existencia no parece indicar un grado de desorganización ni de caos.

Los países, las empresas industriales, la familia, etc son otros ejemplos.

En numerosos casos, los sistemas mantienen su ordenamiento a través del tiempo.

Todos estos sistemas tienen una importante característica, son sistemas vivos y sistemas abiertos.


Sistemas


Sistemas

La expresión “entropía negativa” (neguentropía) es en si una medida de orden.

Es el mecanismo mediante el cual el organismo se mantiene estacionario y a un nivel bastante alto de ordenamiento es decir, a un nivel bajo de entropía.

Realmente consiste en extraer continuamente orden (u organización) de su medio.

Un organismo viviente continuamente incrementa su entropía, tiende a aproximarse al peligroso estado de entropía máxima, que significa la muerte.


Sistemas


Sistemas

Sólo se puede mantener alejado de ella si continuamente se está extrayendo de su medio entropía negativa.

Los sistemas abiertos al extraer orden del medio y reemplazar con él, el desorden producido por sus procesos vitales, rompen la ley de entropía creciente.

Se establece una nueva distinción entre sistema cerrado y sistema abierto El sistema cerrado tiene una vida contada,

sucumbe ante la entropía creciente. El sistema abierto presenta característica tales

que está en condiciones de subsistir y aún eliminar la ley de entropía.


Sistemas


Sistemas

TTE1

E2

E = Energía de entrada1

E = Energía de Salida2

E tiene que ser capaz de generar E 21

La Generación de la Neguentropía


El Sistema abierto puede almacenar energía, es decir no toda la energía (E1) debe ser utilizada en la transformación (T).

Supongamos que E11 es la energía destinada al proceso de transformación propiamente tal y E12 es un saldo.

Entonces: E1 = E11 + E12

E12 es una energía que permanece dentro del sistema y sirve como base para la creación de la neguentropia.





Un sistema social que desee sobrevivir debe crear dos tipos de energía a través de sus mecanismos de importación del medio:

• La energía necesaria para el proceso de transformación o conversión.

• La energía necesaria para mantener y mejorar su organización interna y sus relaciones con el medio dentro del cual se conduce.

Ejemplo para ilustrar la acción de la entropía y la neguentropía en un Sistema Social.

Supongamos que un grupo de personas aficionados al juego de damas deciden formar un club de damas. Para esto se reúnen, se organizan, establecen ciertas responsabilidades que deben cumplir tanto los directivos como los socios, fijan cuotas, etc.

Este club es un sistema social abierto.



Corriente de Entrada : Dinero (las cuotas que aportan los socios) Todos los recursos necesarios para mantener el

club en funcionamiento. Proceso de Conversión:

Constituido por el juego de damas (Campeonatos) Corriente de Salida:

Satisfacción que el club entrega a cada uno de sus miembros.



Para que el proceso opere, es necesario que exista una diferencia entre las capacidades de juego y el conocimiento entre los diferentes miembros.

Al existir esta diferencia se produce un incentivo para jugar y así aumentar el grado de satisfacción de los socios.

Supongamos ahora que nuestro club debe enfrentarse con un club del extranjero. Para ello deben viajar a ese país y los hacen por avión; este cae en una isla solitaria, salvándose solamente los miembros del club.



La isla es un paraíso y no existen problemas de alimentación y abrigo.

Sin otra cosa que hacer, nuestros personajes pasan todo el día jugando damas.

Que podría suceder al cabo de un tiempo?



Se equilibra el conocimiento . Las diferencias que antes existían entre los diversos

jugadores se va haciendo cada vez más pequeña y puede llegar un momento en que todos juegan de una misma manera.

Al llegar a este punto, lógicamente, el interés derivado del juego no sólo decrece sino que se hace nulo.

La corriente de salida disminuye hasta desaparecer definitivamente, por lo tanto, se hace incapaz de regenerar nuevamente la corriente de entrada.



Que sucedió? Se desintegro el sistema social a causa de la entropía.

Como se puede combatir esta entropía? Se lograría evitando que se produzca esa igualdad, lo

que se puede lograr: Importando nuevos conocimientos Incorporación de nuevos socios Compra de libros especializados Contratación de algún maestro.

Es necesario tener energía adicional que se utiliza para combatir la entropía. Así se genera la neguentropía.



Podemos representar este fenómeno de la siguiente forma: Sea “X” la corriente de entrada del Sistema. Sea “T” el proceso de transformación. Sea “y” la corriente de Salida Sea “AX” una cantidad negativa que representa la

entropía.

TT

x

(-)Ax

y



Para el ejemplo: “x” representa los recursos necesarios para

poder desarrollar los juegos “T” son los juegos “y” es el grado de satisfacción de los miembros (-)Ax es la tendencia hacia el equilibrio del

conocimiento.

La condición necesaria para sobrevivir es: Y > x (en término de Valor)



Luego, nuestro sistema para poder sobrevivir debe desarrollar algunos subsistemas.

T

O

x

(-)Ax

Y(a+b) Y(a)

Y(b)



Y (a+b) representa el total de la corriente de salida Y(a) es la energía que el sistema entrega al medio

para adquirir “x” Y(b) es la energía que se guarda para combatir la

entropia “Ax” O es el proceso (organización que se desarrolla

dentro del sistema para combatir la entropía, utilizando la energía y(b))



Conclusión:

Si y(b) = Ax, tenemos un sistema que sobrevive. Si y(b) > Ax, tenemos un sistema en expansión. Si y(b) < Ax, tenemos un sistema en

descomposición.



La energía necesaria para combatir la entropía se denomina Neguentropía

Contiene dos tipos de energía: Obedece a la ley de conservación,

información que ingresa para la corrección del sistema.

Obedece a la ley de incrementos, se refiere a la información que ingresa al sistema.



ENTROPÍA E INFORMACIÓNENTROPÍA E

INFORMACIÓN

Las informaciones son comunicadas a través de mensajes que son propagados desde un punto a otro dentro del sistema social, a través de los canales de comunicación y utilizando diversos medios.

Esta información puede sufrir deformaciones, interrupciones o accidentes.

En realidad podemos pensar que la información que proporciona un mensaje al ser transmitido, tiende a disminuir, pero nunca a aumentar.

Esta perdida de información equivale a la entropía.

ENTROPÍA E INFORMACIÓNENTROPÍA E INFORMACIÓN

La Información, como tal, puede considerarse como una disminución de la incertidumbre o del caos, y en ese sentido, la información tiende a combatir la entropía.

La información es pues neguentropía. Mientras la entropía es una medida de desorden, la

información es una medida de organización. Esto quiere decir que si comenzamos a obtener

informaciones referentes a algunos hechos desordenados y al azar, es posible que comencemos a encontrar ciertas relaciones y podamos estructurar un modelo que nos describa la conducta de eso eventos


Un sistema se encuentra en máxima entropía cuando la probabilidad de pasar de un estado 1 a un estado 2 o a uno 3 o aun N son las mismas. Es decir: P(1)=P(2)=P(3)...P(N)=1/N

Ejemplo: Si estamos dentro de una pieza completamente oscura y se nos pide encontrar una moneda que esté en el suelo, la probabilidad de que se encuentre en algún punto determinado es igual a la probabilidad de que se encuentre en cualquier otro punto.


Pero si la moneda al caer al suelo ha sonado, este sonido es una información que recibimos y que nos indica una cierta área del suelo donde podría estar la moneda.

Hemos pasado de un estado de máxima entropía (de igual distribución de probabilidades) a un estado con menor entropía (Probabilidades desiguales)

Entonces : Podemos suponer la relación : Información = (-) Entropía o Información = neguentropía


CONCLUSIONCONCLUSION

Sistema Cerrado

Sistema Abierto

La entropía aumenta hasta un máximo desorden y se detiene en un estado de equilibrio. Cualquier sistema cerrado, tiende a un estado de distribución mas probable.

No alcanza nunca un estado de equilibrio, por que se encuentran en constante intercambio con el entorno, sino manteniéndose en un estado de uniformidad.

El estado mas probable es la entropía.

Cualquier estado improbable puede ser considerado un estado neguentropico.

entropia y neguentropia

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