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el vídeo de hoy trata de uno de los
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conceptos más importantes y sin embargo
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menos comprendidos de toda la física lo
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rige todo desde las colisiones
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moleculares hasta tormentas inmensas
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desde el inicio del universo pasando por
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toda su evolución hasta su Inevitable
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final de hecho puede determinar la
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dirección del tiempo e incluso hacer la
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razón de que haya vida para comprobar la
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confusión acerca de este tema solo hay
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que hacer una simple pregunta
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qué obtiene la tierra del sol
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que obtiene la tierra del sol
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yo creo Rayos de Luz qué obtenemos calor
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calor
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vitamina D tenemos vitamina D vitamina D
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de Los Rayos UV bueno mucha energía que
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tiene la tierra de la energía sí energía
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energía
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Exacto todos los días la tierra recibe
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cierta cantidad de energía del sol
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entonces Cuánta energía regresa a la
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Tierra al espacio con relación a la
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cantidad que obtiene del sol Quizá no
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demasiada No creo que solo la irradiamos
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de vuelta creo que menos menos yo creo
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que menos Supongo que un 70% es una
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fracción yo digo que un 20% porque
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usamos parte de ella usamos parte de la
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energía consumimos mucha No pero lo que
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pasa con la energía es que nunca
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desaparece no se puede agotar
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Tendría que haber equilibrio no soy la
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misma cantidad ya sabes Causa y efecto
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sería en cierto modo Igual no en casi
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toda la historia de la tierra la
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cantidad de energía que entra del Sol y
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la que la Tierra irradia al espacio
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Debería ser Exactamente igual
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Wow porque si no fuera así entonces la
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tierra se calentaría mucho más y sería
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un problema Sería un gran problema
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Entonces si esto es así sé qué es lo que
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obtenemos realmente del sol
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buena pregunta
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nos da un buen bronceado nos da un buen
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bronceado me encanta obtenemos algo
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especial del Sol no sé que obtenemos
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energía pero nadie habla de eso para
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responder eso debemos remontarnos a un
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descubrimiento hecho hace dos siglos
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durante el invierno de 1813 los
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ejércitos de Austria prusia y Rusia
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estaban invadiendo Francia
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el hijo de uno de los generales de
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Napoleón era sadie carnot un estudiante
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de 17 años el 29 de diciembre él
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escribió una carta a Napoleón diciéndole
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que quería unirse a la lucha Napoleón
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preocupado por la batalla no respondió
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pero a carnot se le cumplió su deseo
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unos meses después cuando París fue
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atacado los estudiantes defendieron un
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castillo al este de la ciudad pero no
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eran rival para los ejércitos que
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avanzaban y París cayó después de Solo
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un día de lucha
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obligado a retirarse carnot estaba
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devastado
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siete años después fue a visitar a su
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padre quien había huido a prusia después
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de la derrota de Napoleón su padre no
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solo era general también era físico
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escribió un ensayo acerca de cómo la
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energía se transfiere más eficientemente
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en sistemas mecánicos durante la visita
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de su hijo hablaron largamente sobre el
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gran avance del momento las máquinas de
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vapor las máquinas de vapor ya se usaban
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para impulsar barcos extraer minerales y
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tragar puertos
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y era evidente que el poderío industrial
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y militar de las Naciones dependía de
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tener las mejores máquinas de vapor
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pero los diseños franceses iban a la
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saga de los otros países como Gran
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Bretaña y sadie carnot se dio a la tarea
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de averiguar por qué
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en ese entonces aún las mejores máquinas
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de vapor solo convertían alrededor del
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3% de energía térmica en trabajo
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mecánico útil Si pudiera mejorar eso le
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podría dar a Francia una ventaja enorme
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y restaurar su lugar en el mundo Así que
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pasó los siguientes tres años estudiando
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motores térmicos y una de sus ideas
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claves Es cómo funcionaría un motor
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térmico ideal sin fricción ni pérdidas
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hacia el ambiente
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se ve algo así
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tomen dos barras de metal muy grandes
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una caliente y otra fría el motor se
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compone de una cámara llena de aire a la
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cual el calor solo puede entrar o salir
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por la parte inferior dentro de la
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cámara hay un pistón que está conectado
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a un volante de Inercia el aire inicia a
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una temperatura justo por debajo de la
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de la barra caliente primero la barra
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caliente entre en contacto con la cámara
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el aire del interior se expande con el
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calor que entra para mantener su
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temperatura esto empuja el pistón hacia
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arriba y hace girar el volante luego se
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retira la barra Caliente pero el aire en
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la cámara sigue expandiéndose pero ahora
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que ya no entra calor la temperatura
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desciende idealmente hasta alcanzar la
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temperatura de la barra fría y la barra
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fría entonces entra en contacto con la
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cámara y el volante empuje el pistón
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hacia abajo y a medida que se comprime
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el aire el calor se transfiere a la
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barra fría
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al retirar la barra fría el volante
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comprime el aire aún más aumentando su
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temperatura justo por debajo de la de la
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barra caliente a continuación la barra
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caliente vuelve a hacer contacto y el
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ciclo se repite Durante este proceso el
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calor de la barra caliente se convierte
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en la energía del volante de Inercia
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y lo interesante del motor ideal de
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carnot es que es totalmente reversible
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Si haces funcionar el motor a la inversa
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primero el aire se va a expandir bajando
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su temperatura luego la cámara entrará
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en contacto con la barra fría el aire se
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expandirá más tomando el calor de la
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barra fría después el aire se comprimirá
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aumentando su temperatura la barra fría
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se colocará debajo de la cámara y la
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energía del volante se usará para
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devolver el calor a la barra caliente
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independientemente de Cuántos ciclos se
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ejecuten hacia adelante se puede
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ejecutar el mismo número a la inversa y
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al final todo va a volver a su estado
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original sin necesidad de un aporte
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adicional de energía
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por lo tanto en un motor ideal nada
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cambia realmente siempre se puede
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deshacer lo que se hizo
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Entonces cuál es la eficiencia de este
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motor ya que es totalmente reversible se
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podría esperar que la eficiencia fuera
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del 100% Pero ese no es el caso en cada
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ciclo la energía del volante aumenta por
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la cantidad de calor que entra a la
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cámara proveniente de la barra caliente
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menos el calor que sale de la cámara
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hacia la barra fría y para calcular la
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eficiencia dividimos esta energía entre
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el aporte de calor de la barra caliente
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ahora el calor que entra en el lado
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caliente es igual al trabajo realizado
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por el gas sobre el pistón y este
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siempre va a ser mayor que el trabajo
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realizado por el pistón sobre el gas en
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el lado frío que equivale Al Calor que
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sale la razón de esto es que en el lado
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caliente el gas caliente ejerce una
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presión mayor en el pistón que el mismo
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gas cuando está frío para aumentar la
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eficiencia del motor se podría aumentar
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la temperatura del lado caliente o
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disminuir la temperatura del frío o
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ambas cosas
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lord Kelvin se enteró del motor ideal de
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carnot y se dio cuenta que podría ser la
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base de una escala de temperatura
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absoluta supongamos que el gas se
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expande a tal extremo que se enfría al
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punto de que todas sus partículas dejan
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de moverse
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Entonces no ejercerían ninguna presión
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sobre el pistón y no costaría ningún
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trabajo comprimirlo en el lado frío y no
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Se perdería calor
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Este es el concepto de cero absoluto y
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esto daría lugar a un motor 100%
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eficiente
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usando esta escala de temperatura
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absoluta la escala Kelvin podemos
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reemplazar la cantidad de calor entrante
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y saliente con las temperaturas de los
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lados frío y caliente respectivamente
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porque son directamente proporcionales
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Así que podemos expresar la eficiencia
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de esta forma que se puede reescribir
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así
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lo que hemos aprendido es que la
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eficiencia de un motor térmico ideal no
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depende de los materiales ni del diseño
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del motor sino fundamentalmente de las
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temperaturas de los lados calientes y
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frío para alcanzar una eficiencia del
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100% se necesitaría una temperatura
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infinita en el lado caliente o el cero
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absoluto en el lado frío dos condiciones
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imposibles en la práctica Así que
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incluso sin fricción y pérdidas hacia el
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ambiente es imposible hacer que un motor
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térmico sea 100% eficiente Y es que para
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regresar el pistón a su posición
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original se necesita transferir calor a
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la barra fría por lo que no toda la
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energía se queda en el volante
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en la época de carnot las máquinas de
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vapor de alta presión solo podían
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alcanzar temperaturas de hasta 160
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grados centígrados por lo que su
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eficiencia máxima teórica era del 32%
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pero su eficiencia real era más bien del
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3%. Esto se debe a que los motores
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reales experimentan fricción disipan
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calor al medio ambiente y no transfieren
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calor a temperaturas constantes por lo
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tanto para la misma cantidad de calor
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que entra menos energía termina en el
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volante de Inercia el resto se dispersa
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por las paredes del cilindro el eje del
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volante y se irradia al ambiente
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cuando la energía se dispersa Así es
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imposible recuperarla Así que este
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proceso es Irreversible La cantidad
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total de energía no cambió pero se
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volvió menos utilizable la energía se
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vuelve más útil cuando está concentrada
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y menos útil cuando está dispersa
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décadas más tarde el físico alemán
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rudolf clausius estudió el motor de
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carnot y elaboró una forma de medir qué
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tan dispersa está la energía
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a esta cantidad la llamó entropía
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[Música]
00:10:02
Cuando toda la energía se concentra en
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la barra caliente la entropía es baja
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Pero a medida que la energía se dispersa
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alrededor en las paredes de la cámara y
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el eje bueno la entropía aumenta esto
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significa que la misma cantidad de
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energía está presente pero en esta forma
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más dispersa está menos disponible para
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realizar trabajo en 1865 clausius resume
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así las dos primeras leyes de la
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termodinámica la primera es que la
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energía del universo es constante y la
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segunda la entropía del universo tiende
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a un máximo En otras palabras la energía
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se dispersa a lo largo del tiempo
00:10:43
[Música]
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la segunda ley es central para muchos
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fenómenos del mundo porque las cosas
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calientes se enfrían y las frías se
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calientan porque el gas se expande para
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llenar un recipiente Por qué no se puede
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tener una máquina de movimiento perpetua
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es porque la cantidad de energía
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utilizable en un sistema cerrado Está
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siempre disminuyendo
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la forma más común de describir la
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entropía es como desorden y tiene
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sentido porque se asocia a cosas cada
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vez más mezcladas aleatorias y menos
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ordenadas pero creo que la mejor manera
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de pensar en la entropía es como la
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tendencia de la energía a dispersarse
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Pero por qué se dispersa la energía con
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el tiempo es decir la mayoría de las
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leyes de la física funcionan Exactamente
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igual hacia adelante o hacia atrás en el
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tiempo entonces cómo surge esta Clara
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dependencia temporal
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consideremos dos pequeñas barras de
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metal una caliente y otra fría para este
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modelo sencillo consideraremos solo 8
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átomos por barra cada átomo vibra en
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función del número de paquetes de
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energía que posee Cuantos más paquetes
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más vibra empecemos con siete paquetes
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de energía en la barra izquierda y tres
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en la derecha el número de paquetes de
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energía en cada barra es lo que
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llamaremos un estado primero
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consideremos solo la barra izquierda
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tiene siete paquetes de energía que
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pueden moverse libremente por la
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retícula esto ocurre sin parar los
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paquetes de energía saltan
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aleatoriamente de un átomo a otro
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creando diferentes configuraciones de
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energía pero la energía total permanece
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igual todo el tiempo ahora traigamos la
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barra fría de nuevo con solo tres
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paquetes y pongamos las juntas ahora los
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paquetes de energía pueden saltar entre
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ambas barras creando diferentes
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configuraciones cada configuración única
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es Igualmente probable
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Entonces qué ocurre si tomamos una foto
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en un instante de tiempo y vemos en
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dónde están todos los paquetes de
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energía y alto miren esto Ahora hay
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nueve paquetes de energía en la barra
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izquierda y solo uno en la derecha el
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calor ha pasado de la fría a la caliente
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no Debería ser imposible porque
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disminuye la entropía
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Pues bien aquí es donde ludbick boltzman
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hizo un importante descubrimiento que el
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calor fluye de la fría a la caliente no
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es imposible sólo es improbable
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hay 91.520 configuraciones con 9
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paquetes de energía en la barra
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izquierda pero
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627.264,5 paquetes de energía en cada
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barra es decir hay seis veces más
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probabilidades de que la energía se
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distribuya uniformemente entre las
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barras pero si se suman todas las
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posibilidades se puede ver que hay un
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10.5% de posibilidad de que la barra de
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la izquierda acabe con más paquetes de
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energía de los que tenía al principio
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Entonces por qué no observamos que esto
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ocurre a nuestro alrededor vemos Qué
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pasa cuando aumentamos el número de
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átomos a 80 por barra y los paquetes de
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energía a 100 con 70 en la barra
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izquierda y 30 en la derecha Ahora solo
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hay un 0.05% de posibilidades de que el
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sólido de la izquierda termine más
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caliente que al comienzo y esta
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tendencia continúa a medida que seguimos
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ampliando el sistema en los sólidos
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cotidianos hay unos 100 cuatrillones de
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átomos
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y aún más paquetes de energía por tanto
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que el calor fluya de frío a caliente es
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tan improbable que nunca ocurre
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piénselo como este cubo de Rubik ahora
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está completamente resuelto pero voy a
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cerrar los ojos y hacer algunos giros al
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azar si sigo haciendo esto cada vez
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estaré más lejos de resolverlo Pero cómo
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puedo estar seguro de que realmente lo
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estoy desordenando Pues porque solo hay
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una forma de resolverlo unas cuantas de
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casi resolverlo y quintillones de formas
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de que sea casi totalmente aleatorio sin
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pensarlo ni esforzarse cada vuelta hace
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que el cubo Rubik pase de un estado muy
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improbable el de estar resuelto a un
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estado más probable un completo desastre
00:14:50
Entonces si la tendencia natural de la
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energía es dispersarse y que todo sea
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más desordenado cómo es posible tener
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algo como el aire acondicionado donde el
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interior frío de una casa se enfría y el
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exterior caliente se calienta más
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[Música]
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la energía va del frío Al Calor
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disminuyendo la entropía de la casa
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Pues bien esta disminución de entropía
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solo es posible aumentando la entropía
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muchísimo más en otro lugar en este caso
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en una central eléctrica la energía
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química concentrada y el carbón se
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liberan calentando la central y su
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entorno propagándose a la turbina los
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generadores eléctricos calentando los
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cables hasta la casa y produciendo calor
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residual en los ventiladores y el
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compresor cualquier disminución de
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entropía que se consigue en la casa se
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compensa con el aumento de entropía
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necesario para que eso ocurra
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pero si la entropía total aumenta
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constantemente y cualquier cosa que
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hagamos solo acelera ese aumento
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Entonces cómo es que queda alguna
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estructura en la tierra Cómo se separan
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las partes calientes de las frías
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Cómo es que existe la vida
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Bueno si la tierra fuera un sistema
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cerrado la energía se dispersaría
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completamente lo que significaría que
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todavía cesaría todo se descompondría y
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mezclaría y finalmente alcanzaría la
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misma temperatura pero por suerte la
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tierra no es un sistema cerrado porque
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tenemos al sol
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[Música]
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lo que realmente nos da el sol es un
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flujo constante de baja entropía que es
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energía concentrada y empacada la
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energía que obtenemos del sol es más
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útil que la que devolvemos es más
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compacta está más agrupada las plantas
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captan esta energía y la utilizan para
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crecer y crear azúcares luego los
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animales como en plantas y utilizan esa
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energía para mantener su cuerpo y
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desplazarse los animales más grandes
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obtienen su energía comiéndose a los más
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pequeños Y así sucesivamente quien cada
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uno de estos pasos la energía se
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dispersa más es interesante Sí no lo
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sabía Ahí está básicamente toda la
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energía que llega a la Tierra desde el
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sol se convierte en energía térmica y
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luego se irradia al espacio
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pero de hecho es la misma cantidad sé
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que sabes esto porque tengo un doctorado
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en física
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el aumento de entropía puede observarse
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en el número relativo de fotones que
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llegan y salen de la tierra por cada
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fotón que llega del sol se emiten 20
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fotones y todo lo que ocurre en la
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tierra el crecimiento de las plantas la
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caída de los árboles la estampida de los
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rebaños los huracanes y tornados la
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gente comiendo durmiendo y respirando
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todo ello ocurre en el proceso de
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convertir pocos fotones de mayor energía
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en 20 veces más fotones de menor energía
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sin una fuente de energía concentrada y
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una forma de desechar la energía
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dispersa la vida en la tierra no Sería
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posible
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Incluso se ha sugerido que la propia
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vida puede ser una consecuencia de la
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Segunda ley de la termodinámica si el
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universo tiende hacia la máxima entropía
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entonces la vida ofrece una forma de
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acelerar esa tendencia natural porque la
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vida es espectacularmente buena
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convirtiendo la baja entropía en alta
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entropía por ejemplo la capa superficial
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del agua de mar produce entre un 30 y un
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680 por ciento Más entropía cuando hay
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cianobacterias y otras materias
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orgánicas que cuando no las hay Jeremy
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england va un paso más allá ha propuesto
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que si hay un flujo constante de energía
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aglomerada esto podría favorecer a las
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estructuras que disipan esa energía y
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con el tiempo esto se traduce en
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disipadores de energía cada vez mejores
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lo que a la larga se traduce en vida o
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en sus propias palabras empiezas con un
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grupo aleatorio de átomos y si lo pones
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a luz el tiempo suficiente no debería
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sorprenderte que obtengas una planta
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Así que la vida en la tierra sobrevive
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gracias a la baja entropía del sol pero
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Entonces de dónde sacó el sol su baja
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entropía
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la respuesta es el universo
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si sabemos que la entropía total del
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universo aumenta con el tiempo entonces
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ayer había menos entropía Y todavía
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menos anteayer Y así sucesivamente hasta
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el Big Bang
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Así que justo después del Big Bang es
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cuando la entropía era más baja esto se
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conoce como la hipótesis del pasado no
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explica por qué la entropía era baja
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Solo que debió ser así para que el
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Universo se desarrollara como lo ha
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hecho pero el universo primitivo era
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caliente denso y casi completamente
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uniforme es decir todo estaba mezclado y
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la temperatura era básicamente la misma
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en todas partes variando como mucho un
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0.001%. Entonces por qué esto es baja
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entropía Bueno lo que hemos omitido es
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la gravedad la gravedad tiende a agrupar
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la materia Así que tomando en cuenta la
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gravedad tener la materia esparcida de
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esta manera sería un estado
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extremadamente improbable y es por eso
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que es baja entropía
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con el tiempo a medida que el Universo
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se expandía y enfriaba la materia empezó
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a aglomerarse en regiones más densas Y
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al hacerlo enormes cantidades de energía
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potencial se convirtieron en energía
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cinética y esta energía también podría
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utilizarse igual que el agua que fluye
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cuesta abajo puede alimentar una turbina
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pero cuando los Trozos de materia
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empezaron a chocar entre sí parte de su
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energía cinética se convirtió en calor
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por lo que la cantidad de energía útil
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disminuyó aumentando así la entropía
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con el tiempo la energía útil se usó
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y así se formaron estrellas planetas
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galaxias y vida aumentando la entropía
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en el proceso el universo comenzó con
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alrededor de 10 a la 88 veces el valor
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de la constante de voltsman de entropía
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actualmente todas las Estrellas del
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universo observable tienen alrededor de
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9.5 por 10 a la 80 los medios
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Interestelar e intergaláctico combinados
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tienen casi 10 veces más pero siguen
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siendo solo una fracción del universo
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primitivo los neutrinos y los fotones
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del fondo cósmico de microondas
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contienen mucho más
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en 1972 Jacob beckenstein propuso otra
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fuente de entropía
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los agujeros negros
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sugirió que la entropía de un agujero
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negro Debería ser proporcional a su
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superficie a medida que un agujero negro
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crece su entropía aumenta
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físicos famosos pensaban que la idea no
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tenía sentido y con buena razón según la
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termodinámica clásica si los agujeros
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negros tienen entropía también deberían
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tener temperatura pero si tienen
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temperatura deberían emitir radiación y
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no serían negros después de todo
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la persona que se propuso demostrar que
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beckenstein estaba equivocado fue
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Stephen Hawking pero para su sorpresa
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sus resultados demostraron que los
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agujeros negros sí emiten radiación lo
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que ahora se conoce como radiación de
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Hawking Y si tienen temperatura el
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agujero negro del centro de la vía
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láctea tiene una temperatura de unas 100
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billonésima de Kelvin y emite una
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radiación demasiado débil para ser
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detectada por lo que sigue siendo
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bastante negro pero Hawking confirmó que
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los agujeros negros tienen entropía y
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que beckenstein tenía razón Hawking pudo
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refinar la propuesta de beckenstein y
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determinar Cuánta entropía tienen
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el agujero negro supermasivo en el
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centro de la vía láctea tiene alrededor
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de 10 a la 91 veces el valor de la
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constante de voltsman de entropía eso es
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mil veces más que el universo observable
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primitivo y 10 veces más que todas las
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demás partículas juntas y eso es solo un
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agujero negro todos los agujeros negros
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juntos representan 3 por 10 el asiento
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cuatro veces el valor de la constante de
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voltsman de entropía
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Así que casi toda la entropía del
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universo está ligada a los agujeros
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negros eso significa que el universo
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primitivo solo tenía alrededor del punto
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0003% de la entropía que tiene ahora
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Así que la entropía era baja y todo lo
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que ocurre en el universo como la
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formación de sistemas planetarios la
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fusión de galaxias el choque de
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asteroides la muerte de estrellas hasta
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el florecimiento de la vida misma todo
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eso Puede ocurrir porque la entropía del
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universo era baja y ha ido aumentando y
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todo ocurre en una sola dirección nunca
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vemos que un asteroide que chocó se
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reincorpore o que un sistema Planetario
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vuelva a la nube de polvo y gas que lo
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formaba hay una Clara diferencia entre
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ir al pasado y al futuro y Esa
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diferencia proviene de la entropía el
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hecho de que pasemos de estado sin
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probables a Estados más probables es la
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razón por la que existe una flecha del
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tiempo
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se espera que esto continúe hasta que
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finalmente la energía se disperse tanto
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que nunca vuelva a ocurrir nada
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interesante
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Esta es la muerte térmica del universo
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en un futuro lejano de más de 10 a las
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100 años a partir de ahora después de
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que el último agujero negro se haya
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evaporado el universo estará en su
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estado más probable
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entonces incluso a gran escala no Sería
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posible distinguir entre El Avance o el
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retroceso del tiempo la flecha del
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tiempo desaparecería
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Así que parece que la entropía es esa
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cosa horrible que nos lleva
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inevitablemente hacia el resultado más
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aburrido imaginable pero que la máxima
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entropía tenga baja complejidad no
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significa que la baja entropía tenga
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máxima complejidad en realidad es más
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como este té y esta leche sostenerla así
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no es muy interesante pero al verter la
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leche los dos empiezan a mezclarse y
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surgen estos preciosos dibujos aparecen
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en un instante y antes de que te des
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cuenta desaparecen y vuelven a carecer
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de rasgos tanto la Baja como la alta
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entropía son de baja complejidad es en
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el medio donde aparecen y prosperan las
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estructuras complejas y ya que ahí es
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donde nos encontramos aprovechemos la
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baja entropía que tenemos mientras
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podamos
