Apunte de Entropia

CATEDRA PATOLOGIA DE LA CONSTRUCCION (2012)
ENTROPIA
I.
ENUNCIADOS
TRABAJO (w) : Realizado por una fuerza (f)
desplazamiento(s)
sobre una partícula para producir
W=F*s
Unidad en el S I = JOULE =J
POTENCIA (P) : Rapidez con que se realiza trabajo; (Es una cantidad escalar al igual
que el trabajo y la energía); w= Trabajo; t = tiempo
P=w/t
P(med.) = ∆W / ∆t
P (med.) = Potencia media; ∆W= Trabajo realizado en un intervalo de tiempo ∆t
ENERGIA CINÉTICA (K) de una partícula es la cantidad de trabajo necesario para
acelerar desde el reposo hasta la rapidez v; también es igual al trabajo que la
partícula puede efectuar en el proceso de detenerse.
La energía cinética es una cantidad escalar sin dirección en el espacio, siempre es
positiva o cero.
K = ½ m * v²
Las unidades son iguales a las de trabajo.
El trabajo realizado en un proceso termodinámico no depende solo
del estado inicial y final, también depende de los estados
intermedios, de la trayectoria.
 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Es una generalización del principio de conservación de la Energía como
calor y como trabajo mecánico
U₂ - U₁ = ∆U = Q – W → Q = ∆U + W
Q = Cantidad de calor
∆U= energía interna, variación
W = Trabajo
La energía interna de cualquier sistema termodinámico depende
exclusivamente de su estado. El cambio de energía interna durante
cualquier proceso depende únicamente de los estados iniciales y finales,
no de la trayectoria seguida.
La energía interna de un sistema aislado es constante.
 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Muchos procesos termodinámicos se efectúan naturalmente en una
dirección pero no en la opuesta.
a)
Cuerpo
caliente
Cuerpo
frio
Flujo
calor
El sentido inverso no viola la Primera Ley de la Termodinámica pues U (
energía) no varía pero no ocurre en la naturaleza
b)
 La energía mecánica es convertida totalmente en calor, ej.: al
frenar un auto.
 El sentido inverso, Sistemas que convierten calor
parcialmente en energía mecánica, ej.: el motor del auto.
Nunca el sistema convierte calor totalmente en energía mecánica. Esto se da
por la dirección de los procesos termodinámicos y constituye la Segunda Ley
de la Termodinámica.
La 2° Ley de la Termodinámica planteada en término del concepto de
ENTROPÍA es una medida cuantitativa del grado de desorden o aleatoriedad
de un sistema.
Todos los procesos termodinámicos en la naturaleza son IRREVERSIBLES.
La Primera Ley de la Termodinámica niega la posibilidad de crear o
destruir energía, la Segunda Ley limita la disponibilidad de la energía y las
formas en que puede usarse y convertirse.
LA conversión de energía es un aspecto esencial de la vida de plantas,
animales y también de la tecnología humana, así que la Segunda Ley tiene
una importancia fundamental para el mundo en que vivimos.
Si se incluyen todos los sistemas, que participan en un proceso, la entropía se
mantiene constante, o bien aumenta.
En otras palabras, no puede haber un proceso en el que la ENTROPÍA total
disminuya, si se incluyen todos los sistemas que participan en el proceso,salvo
la incursión del hombre
II.
ENTROPIA
La ENTROPÍA responde a una Ley universal que mediante ecuaciones
matemáticas expresa la declinación de un sistema hacia un equilibrio
termodinámico perfecto.
En contraposición la IATROGENIA es una cuestión humana y responde a los
equívocos de los arquitectos e ingenieros causando enfermedades y anomalías
a los edificios.
Desde la termodinámica podemos expresar que si no hay trasmisión de calor o
diferencia de temperatura en un sistema no puede desarrollarse trabajo y
podemos expresar que el sistema está en equilibrio perfecto, siendo este
concepto distinto al concepto de equilibrio estático.
La ENTROPÍA la podemos ver desde la segunda ley de la termodinámica, y
sus expresiones matemáticas pero también y desde la filosofía, y la realidad.
Los materiales utilizados en la construcción provienen del suelo de la piedra a
los cuales se le aplicó energía y calor para fabricarlos con ellos efectuamos la
construcción de los edificios. Ahora cuando visitamos una ruina volvemos a
ver polvo, suelo. Cuando observamos una demolición (que sería una
aceleración de la entropía producida por el hombre) vemos una gran nube de
polvo son los materiales volviendo a su estado inicial de máxima entropía.
Los edificios no escapan de la ley universal de la ENTROPÍA, también llamada
muerte tibia, es inevitable, pero sí sabemos que la podemos atrasar, demorar,
en especial con conocimientos de la química, de la termodinámica que actúan
sobre los edificios, antes, durante y después de su construcción.
La entropía es una mezcla de materia, energía y calor, en la naturaleza los
procesos son irreversibles por ejemplo si tenemos una recipiente con un litro de
agua a 100° y un recipiente con 1 litro de agua a 0° y lo mezclamos
obtendremos 2 litros de agua a 50° si quisiéramos hacer el proceso inverso
nunca podríamos naturalmente volver a obtener cada litro por separado a 100°
y 0° respectivamente. Podemos expresar que en el instante en que todo el
sistema tiene la misma temperatura no puede realizar trabajo.
Filosóficamente la ENTROPIA la podemos definir como el envejecimiento del
sistema en nuestro caso del edificio, al igual que el de nuestro cuerpo. Si
ampliamos el concepto podemos decir que todo el universo está en la
búsqueda de su equilibrio entrópico.
Según J.C.MartinezColl, la termodinámica es la rama de la física que estudia
los fenómenos en los que interviene el calor. La segunda ley de la
termodinámica expresa: “La evolución espontánea de un sistema aislado se
traduce siempre en un aumento de la entropía”. Los sistemas aislados tienden
al desorden.
La entropía es simplemente el aumento o disminución de energía en un
proceso irreversible que son tan cotidianos en la vida diaria.
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
 CALOR convertido en ENERGIA; ENERGIA convertido en CALOR
∑ ENERGIA = CANTIDAD DE CALOR
CALOR expresado en términos de ENERGIA
 CUERPO + CALIENTE
CUERPO + FRIO
Transferencia de calor
Lo inverso no es posible
 TODA SUSTANCIA POSEE
ENTROPIA DEFINIDA (UNA
CONSECUENCIA DE ENERGIA PARA SU FUNCIONAMIENTO) QUE SE APROXIMA
A CERO CUANDO SU TEMPERATURA SE APROXIMA AL CERO
ABSOLUTO.
III.
UNA
EQUILIBRIO ESTATICO Y TERMODINAMICO
LOS EQUILIBRIOS DE LA ESTATICA
Las tres situaciones representan los estados de
equilibrio
de un sistema. En ellos no se tiene en cuenta el
factor tiempo.
Desde la estática la ingeniería y la arquitectura busca
que se cumpla el equilibrio estable.
Cuando el viento hace oscilar el edificio y al finalizar
su efecto el edificio vuelve a su posición inicial.
IV.
LOS EQUILIBRIOS DE LA TERMODINÁMICA
Desde la termodinámica en algún momento se llegará al equilibrio perfecto,
donde no hay intercambio de calor, de trabajo, de energía. El equilibrio que
busca la estática es la antípoda del equilibrio perfecto de la termodinámica.
El edificio se agota por lentas reacciones químicas y termodinámicas (energía y
calor) que tienden a buscar el equilibrio final.
En termodinámica, la entropía es la magnitud física que mide la parte de la
energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado
de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso
de un proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del
griego
(ἐντροπία)
y
significa
evolución
o
transformación.
Cuando se plantea la pregunta: ¿por qué ocurren los sucesos de la manera
que ocurren, y no al revés? se busca una respuesta que indique cuál es el
sentido de los sucesos en la naturaleza. Por ejemplo, si se ponen en contacto
dos trozos de metal con distinta temperatura, se anticipa que eventualmente el
trozo caliente se enfriará, y el trozo frío se calentará, logrando al final una
temperatura uniforme. Sin embargo, el proceso inverso, el trozo caliente
calentándose y el trozo frío enfriándose es muy improbable a pesar de
conservar la energía. El universo tiende a distribuir la energía uniformemente,
es decir, maximizar la entropía.
Los edificios son construidos por un proceso muy veloz, tanto el cemento, la
cal, el ladrillo o el hierro, pocos meses antes fueron piedra o suelo. Con gran
cantidad de calor se transforman las materias primas que estuvieron en reposo
por milenios. El calor y la energía pretenden un cierto orden al transformar la
piedra pirita y carbono en acero. El acero es un estado inestable de la materia,
posee baja entropía, con el tiempo ganará entropía y llegará un límite en el cual
volverá a ser óxido de hierro.
En el esquema siguiente se representa el proceso antes descripto con respecto
a la extracción de la materia prima y fabricación del acero, su utilización en la
construcción del edificio hasta volver al medio ambiente inicial como oxido de
hierro. Este proceso se desarrolla en un tiempo determinado. Visto desde la
entropía el lomo de la concavidad del proceso representa la inestabilidad del
sistema o elemento.
El hormigón armado aparenta un material inalterable. No lo es. Primero se
enferma el hormigón, la masa de piedra, arena, cemento cuando se contamina
con dióxido de carbono del aire. El hormigón se carbonata, pierde alcalinidad.
Luego con los años se inicia la enfermedad de su compañera; la barra de
acero. La oxidación implica una reacción química exotérmica (desprendimiento
de calor) y se alteran las condiciones mecánicas (el óxido no tiene las misma
propiedades que el hierro). Se produce con el tiempo una transformación
irreversible, desde los tres puntos de vistas, el térmico, el mecánico y .el
químico
V.
Estática y entropía.
Las estructuras se diseñan y calculan en función de las cargas que
actuarán en su historia y las características propias del material que las CC
los considera perpetuos. Lo que sigue es una comparativa inusual, casi
absurda, entre la Estática y la Termodinámica. Les muestro sobre un gráfico
la conducta de ambas disciplinas, ciencias o fenómenos. Les aclaro que la
Estática no depende del tiempo. Es atemporal. Por ejemplo las ecuaciones
fundamentales:
 Fv  0  Fh  0  M  0
Son ecuaciones instantáneas y a la vez infinitas, sin tiempo. Sin embargo
la entropía depende del tiempo. Veamos, trataré de hacer un gráfico donde
transformo las ecuaciones de la estática, las considero dentro del tiempo que
posee un edificio desde el inicio de su construcción, las fundaciones, la
ejecución de las estructuras, los cerramientos, la puesta en servicio, el uso y
por fin la ruina.
En el gráfico hay un solo eje horizontal, una sola abscisa; el tiempo. En
las ordenadas hay dos; una la de la estabilidad, así considerada en forma
clásica según la estática. La otra es la entropía, que del análisis del
esquema surge como contraria a la estabilidad de la estática. Ambas se
comportan como una figura que se mueve frente al espejo. Lo izquierdo es
derecho, pero aquí es más profundo; lo de arriba es abajo.
Desde la Estática.
Analizo primero la parte de la estabilidad o de la estática pero le impongo
la variable tiempo, para ello hay que aplicar las ecuaciones fundamentales
en cada uno de sus puntos.
Punto 0: Le corresponde al terreno natural, antes del replanteo. Allí se
cumplen todas las ecuaciones de la estática, el terreno no se mueve. Está
así desde tiempos seculares.
De 0 a 1: es una recta inclinada. Es el avance de la construcción continuo,
constante y sostenido. Pero en todo este tiempo es necesario el encofrado,
el puntal, el travesaño, para mantener satisfecha a las ecuaciones.
Punto 1: es la inauguración del edificio. Allí el edificio cumple con la
estática y posee algo más: coeficiente de seguridad (CS). Tiene una
estabilidad mayor que la establecida por las ecuaciones.
De 1 a 2: es la etapa de servicio plena (por ejemplo 10 años). Responde a
la fase de uso del edificio nuevo.
Punto 2: momento que se detectan deterioros tempranos. Se mantienen
las ecuaciones, pero se reduce muy poco el CS.
De 2 a 3: Fase donde el edificio pierde algo de su estabilidad, algo
disminuye el valor del CS. Comienzan algunas anomalías, las patologías.
De 3 a 4: Reparaciones, se recupera el CS (no todo).
De 4 a 5: Vuelve el edificio al estado original. Con un estabilidad un poco
menor. Otra vez en servicio.
De 5 a 6: Inicio de las patologías continuas; carbonatación, corrosión,
humedad, desprendimientos.
Demolición voluntaria o derrumbe involuntario.
El CS se lo puede interpretar desde el
repetido esquema de la estática; la esfera
apoyada sobre distintas formas de superficie.
En el primer caso el CS = 0 porque cualquier
fuerza desplaza al cuerpo. En el segundo caso,
con la superficie levemente cóncava el CS > 1.
En la tercer situación con la superficie más
inclinada el CS >> 1. Por fin la última con el
plano vertical, como si fuera una prensa que
aprieta a la esfera se podría teorizar con un CS
que tiende a infinito.
Pero la cuestión real es que esas paredes de
superficies son de algún material del universo
que debe necesariamente respetar las leyes de
la termodinámica. En definitiva, esos planos con
diversas inclinaciones también envejecen y
modifican los minuciosos coeficientes de
seguridad establecidos por las CC.
Desde la Entropía.
El mismo análisis, el mismo edificio, pero ahora desde el concepto de la
entropía. Notables las diferencias que existen con el anterior.
Punto 0: Es la de máxima entropía. El suelo del terreno natural tal cual
nos entrega la naturaleza. La piedra (del hormigón) quieta y tranquila en las
montañas, las arcillas (del cemento) en la profundidad de los suelos, la
energía en los oscuros hidrocarburos, todo está en un equilibrio que su
mantuvo por miles de miles de años. Es el punto 0.
Entre 0 a 1: Se produce la extracción de las piedras de las montañas se
las transportan a las fábricas de cemento, otras irán a las trituradoras para el
agregado grueso, las que contienen óxido de hierro se las lleva la siderurgia.
La tranquila arena del fondo del río se la extrae. Se cortan los árboles para
los encofrados. Todo se quita del lugar que la Naturaleza lo había puesto en
equilibrio permanente, se altera ese equilibrio. La arcilla en la oscuridad, el
silencio, la quietud, allá enterrada es sacada, amasada, quemada para
terminar en el rojo color de un ladrillo. No sólo en el aspecto físico de la
extracción y transporte, sino también del aspecto químico. Las piedras se
transforman en cal, cemento, hierro, aluminio, cobre. Luego esos materiales
salen de las fábricas y llegan a obra otra vez con energía y agua se llega al
punto 1. Se perdió entropía, los materiales que antes estaban en la paz de
un equilibrio milenario, ahora son inestables; el hierro se oxida, hay
corrosión, el cemento se carbonata, la cal se lixivia, el ladrillo se reduce en la
cristalización de sus sales.
Entre 1 a 2: El edificio ya en uso aparenta una estabilidad independiente
del tiempo, no es así. Se deteriora durante los años, gana entropía hasta
llegar al punto 3 que se decide reparar.
De 3 a 4: La reparación. Nuevamente se incorpora material.
De 4 a 5: La puesta de nuevo en servicio.
De 5 a 6: Comenzará a ganar entropía.
Punto 7: Allí el hierro será óxido en el suelo, el ladrillo volverá a ser
arcilla, la arena y la piedra se desprenderá de la pasta de cemento y el
cemento otra vez polvo del suelo.
La estática no tiene en cuenta el tiempo, a esa variable la desecha,
mientras que la entropía la considera como principal.
La entropía además de una de las ramas de la termodinámica es también
una cuestión filosófica. Es una respuesta matemática hacia dónde va el
universo. Es una mezcla de energía, calor, materia. Desde este aspecto, o
desde esta relación entre los tres elementos puedo efectuar una
consideración. Todos los materiales de la construcción, Hormigón, acero,
madera, etc., de alguna forma se le ha incorporado energía y calor para
fabricarlo.
Creo que cuanta más energía se le entregue a un material para
construirlo más inestable será en el universo. Cuanto más combustible
quemamos para mantener nuestro confort en la tierra, más velocidad
adquiere la entropía del planeta.
 RELACION ENTRE PATOLOGIAS PREVENCION IATROGENIA Y ENTROPIA
Respecto a la Prevención es fundamental reconocer que las etapas de Anteproyecto y
Proyecto son las primeras y más efectivas instancias de prevención. Son el origen del 40 % las
patologías congénitas que producen las lesiones y síntomas mas graves ya que los
profesionales cometemos errores (iatrogenia), equivocamos los criterios para tomar
decisiones o decidimos con información escasa o errónea, y además no siempre consideramos
que las edificaciones envejecen naturalmente (entropía) y deben proyectarse para su
durabilidad en el tiempo.
Igualmente relevante es la etapa de Ejecución de Obra que es la segunda y muy valiosa
instancia de prevención. Es el origen del 30% de las patologías congénitas que producen las
lesiones y síntomas mas graves, aquí toman relevancia todos los Controles necesarios del
proceso constructivo en sus formas de Dirección de Obra y Control de materiales entre otros.
En conclusión el 80 % de las patologías/enfermedades y otras problemáticas de los edificios
tienen origen en las acciones de quienes las creamos y pueden prevenirse
Ing. María Cristina Meza