Punto de vista Microscópico de la Termodinámica

Los fenómenos termodinámicos son manifestaciones macroscópicas de una realidad microscópica subyacente. La materia que los humanos somos capaces de observar solo con nuestros sentidos, está compuesta por una estructura microscópica que solo puede ser descubierta gracias a la utilización de herramientas tecnológicas modernas (microscopios). La materia a escala microscópica desvela una estructura molecular compleja. Y a su vez, las moléculas se conforman de una estructura atómica. Los átomos que pueden conformar moléculas están enlistados en la tabla periódica de los elementos químicos. Estos átomos están compuestos de electrones, protones y neutrones. Existe una colección muy basta de partículas elementales que han sido descubiertas en los últimos 100 años, tales como el positrón, los neutrinos o el bosón de Higgs. Sin embargo, poco nos interesa en este momento dicha colección, que es más de interés para quienes estudian física de altas energías o el modelo estándar.

De hecho, a la termodinámica no le importa en absoluto la naturaleza microscópica de la materia, pues como hemos dicho antes, solo las coordenadas macroscópicas son estudiadas por la termodinámica. Sin embargo, es importante entender el hecho de que las observaciones termodinámicas siempre pueden ser entendidas como el resultado de un complejo comportamiento de la estructura microscópica de la materia. Cualquier sistema macroscópico, por muy pequeño que sea, estará compuesto de una cantidad grandísima de partículas microscópicas (del orden de 10^23 partículas). Cada una de estas partículas tendrá su masa, energía cinética, energía potencial (debida a los campos de interacción), momento linea, momento angular, espín, etc. Así, la cantidad de variables que hay que considerar para analizar estos sistemas es grandísima. Sin embargo, dado lo impráctico que puede resultar tratar de estudiar estos sistemas de forma determinista, es necesario mejor recurrir a un análisis de tipo probabilístico o estadístico. Los procedimientos matemáticos para estudiar este tipo de sistemas, son la herramienta de la Mecánica Estadística, rama de la física dedicada al estudio estadístico de sistemas de muchas partículas.

La presión es un ejemplo de una coordenada macroscópica que puede ser entendida como el resultado de las interacciones de una gran cantidad de partículas microscópicas. Supongamos un gas confinado en un tanque. Dicho gas está compuesto de una colección de moléculas que se mueven libremente en el interior del tanque, con la única interacción de colisionar entre ellas y contra las paredes del tanque. Conforme más rápido se mueven las moléculas, mayor momento lineal tienen al impactar las paredes internas del tanque, y ello resulta en una mayor presión. Desde un punto de vista macroscópico, no podríamos ver un incremento colectivo de las velocidades de las moléculas, pero sí podríamos notar el incremento súbito en la presión sobre las paredes del tanque. Por cierto, una forma de aumentar las velocidades de las moléculas (sus energías) es aumentando la temperatura del gas, por ejemplo, colocando el tanque sobre fuego.

Así, concluimos que un enfoque microscópico en el estudio de las propiedades de la materia implica asumir una estructura microscópica subyacente, y se caracteriza por el análisis de muchísimas propiedades, ninguna de las cuales podríamos medir de forma directa, y mismas que no podríamos intuir desde nuestra experiencia humana macroscópica. Sin embargo, el análisis estadístico de esta gran colección de propiedades microscópicas, puede arrojar información sobre coordenadas macroscópicas de un sistema físico mayor.