La Termodinámica se define como la ciencia, parte de la Física, que estudia las relaciones entre las energías calorífica y mecánica; esto es, los efectos mecánicos debidos al calor y los inversos, los caloríficos debidos al trabajo mecánico.
El primer principio de la termodinámica afirma que la variación de energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor absorbido por el sistema y el trabajo desarrollado por el mismo. También se admite el enunciado que a todos nos suena: "la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma", aunque en verdad habría que decir "la energía-masa", porque ya es de sobra conocida la capacidad de transformación de la masa en energía y viceversa.
Según el enunciado anterior, podría parecer que calor y trabajo son equivalentes, pero observando el medio ambiente en el que nos movemos en seguida nos damos cuenta de que no es así: a partir de un trabajo se obtiene fácilmente calor, pero el proceso inverso no resulta tan sencillo. Gastaríamos menos dinero en gasolina si nuestros coches fueran capaces de convertir en giro de ruedas todo el calor que desprende el motor al quemar el combustible. En resumen, se puede afirmar que la transformación de trabajo en calor teóricamente se puede realizar con un rendimiento del 100% (todo el trabajo se puede convertir en calor), pero la tranformación de calor en trabajo, aunque también es posible, no se puede realizar al 100% (la totalidad del calor no se puede convertir en trabajo). El calor se difunde, todo proceso que genera energía disipa calor y tiende a igualar la temperatura de todo el sistema, produciendo un equilibrio térmico. El calor siempre tiende a escaparse para calentar cuerpos más fríos, como el agua del grifo se nos escapa de la mano al intentar retenerla.
De esta forma, el calor se asocia a la idea de caos, mientras que el trabajo se asocia a la idea de orden. Simplificando un poquitín podemos afirmar que de hecho es así en la realidad, puesto que el calor se produce por el movimiento aleatorio o caótico de las partículas de un cuerpo, mientras que el trabajo se produce cuando todas esas partículas se mueven en la misma dirección.
Para intentar explicar los fenómenos de los que no habla el primer principio, apareció el segundo principio de la termodinámica, que según Kelvin-Planck se enuncia así: "Es imposible que una máquina que trabaje cíclicamente extraiga calor de un solo foco y produzca una cantidad equivalente de trabajo". Clausius, por su parte, lo enunciaba de la siguiente forma: "No puede existir una máquina frigorífica de funcionamiento cíclico que haga pasar calor de un foco a otro de mayor temperatura sin aporte de trabajo exterior".
Estos anunciados son rigurosos y precisos, pero no ayudan especialmente a la comprensión de lo que realmente se esconde detrás de ellos, la mayoría de los estudiantes de la asignatura de física lo hemos sufrido. Aunque parece que el enunciado del segundo principio sólo se aplica a unas máquinas que ni siquiera concreta, a partir de él se deduce que los procesos que sufre cualquier sistema físico, incluidos los propios seres humanos, no son reversibles tal y como se producen en la Naturaleza. Uno de los patrones de comportamiento fundamentales que encontramos en el mundo real es la tendencia de las cosas a desgastarse y agotarse (la gente envejece, las montañas se erosionan, las máquinas se estropean, etc.). Los procesos naturales o espontáneos que sufre cualquier sistema físico no tienen marcha atrás, siendo múltiples las causas de irreversibilidad: siempre existe un fenómeno natural que impide la vuelta a un origen igual al primigenio.
Para entender mejor este "principio de irreversibilidad" o "principio del desorden" basta pensar en algunos ejemplos cotidianos: - El calor fluye espontáneamente de un cuerpo caliente a otro frío, pero no a la inversa. El hielo que se nos funde en el interior de un cubata nunca se volverá a formar en el vaso mientras lo sujetamos en una discoteca.
- Si metemos en una botella arena blanca, luego arena roja y después agitamos la botella, los granitos se mezclarán sin que nunca más en nuestra vida finita podamos volver a separarlos por el simple procedimiento de agitar la botella, la separación requerirá un esfuerzo adicional y más inteligente.
- Cuando destapamos un frasco de perfume, su aroma se expande por toda la habitación hasta agotar el contenido del frasco, pero no podemos esperar que el efluvio vuelva a introducirse por sí solo en el recipiente.
- Supongamos una baraja de cartas ordenada del uno al cuarenta. Si la barajamos observaremos que las cartas se desordenan. Éste es la tendencia natural, las cartas no tienden a ordenarse si no las ponemos boca arriba y gastamos tiempo y esfuerzo en hacerlo.
Si se define la entropía como el estado de desorden de un sistema, se puede demostrar matemáticamente que la entropía aumenta en cualquier sistema aislado cuando éste experimenta un cambio irreversible. Es decir, en los procesos que sólo se producen en un sentido (procesos irreversibles) el estado final de un sistema presenta mayor desorden que el estado del que se parte. En general, de todos los estados posibles a que puede conducir un proceso, el estado más probable es aquél que lleva consigo el mayor desorden. Dicho de otra forma, en un sistema térmicamente aislado solamente pueden ocurrir procesos que comporten un aumento de entropía, resultando que un sistema térmicamente aislado estará en equilibrio cuando su entropía llegue al máximo. Por eso el aroma del perfume no volverá nunca al frasco una vez abierto. Esta irreversibilidad de los procesos naturales dio lugar al nacimiento del concepto conocido como "flecha del tiempo": nos basta observar la evolución entrópica del universo para saber si vamos hacia delante o hacia atrás en el tiempo.
 Pero aún se puede ir más allá. Si se tiene en cuenta que los procesos espontáneos reales son irreversibles y que el universo es un sistema aislado, entonces está claro que la entropía del universo aumenta permanentemente. La temperatura de todas las partes del universo tiende a igualarse hasta llegar a una situación en que las diferencias de temperatura habrán desaparecido y no existirán saltos térmicos de los que se pueda obtener trabajo (para entenderlo con una analogía, pensemos en que sólo se puede extraer energía del agua de un pantano si hay una diferencia de alturas a ambos lados de la presa para que el agua pueda caer). Por tanto, al aumentar la entropía la energía térmica se hace menos utilizable para obtener trabajo, diciéndose que se ha degradado, aunque la energía total permanezca constante. La dispersión de la energía se expresa en términos de calidad: la calidad alta, la energía útil, es una energía localizada, mientras que la calidad baja hace referencia a una dispersión caótica. La energía de calidad baja está distribuida caóticamente en todas direcciones. Cuando la energía está localizada se pueden desencadenar procesos, pero pierde su potencialidad de producirlos cuando se ha dispersado, de nada sirve tener mucho material a la misma temperatura.
Parece, pues, que el universo se encamina hacia un estado de temperatura constante, en el cual toda la energía estará completamente degradada y la entropía habrá alcanzado su máximo, no siendo posible entonces proceso real alguno. A esta situación se la denomina muerte térmica del Universo. La verdad es que, dicho así, se le ponen a uno los pelos de punta, pero en cualquier caso no estaremos aquí para verlo.
También he leído teorías que hablan de una "entropía gravitacional" como contrapeso al aumento de la entropía energética, o de un aumento continuo del techo entrópico, o que defienden un cambio de sentido del proceso entrópico con una consiguiente inversión de la flecha del tiempo, de modo que el triste final de la muerte térmica o bien nunca llegaría o bien vendría seguido de una inmediata "resurrección", pero me voy a detener a explicarlas porque el objetivo de este artículo es más humanista que puramente científico.
Pues bien, a pesar de todas las consideraciones anteriores sobre el aumento continuo del desorden, no debemos entender que la entropía aumenta siempre en cualquier proceso, la tendencia espontánea de un sistema cerrado se puede modificar con un recurso externo añadido. Por ejemplo, los granitos de arena blanca y roja de la botella se volverán a separar si los volcamos en una mesa y los ordenamos uno a uno con el trabajo de nuestras manos. Pero, como la entropía del universo siempre aumenta, si intentamos que en una parte de él la entropía disminuya (es decir, que aumente el orden) ello debe ser a costa de generar un residuo que haga aumentar la entropía general del conjunto. Supongo que no hace falta mencionar cuáles son los residuos que dejamos cada día los seres humanos en el cuarto de baño para poder separar a mano los granitos de la botella o para desarrollar todas nuestras tareas cotidianas.
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