Por qué una lupa no viola la termodinámica

Artículo rápido: estoy contento de traducir un artículo publicado en Ask a Physicist que responde a una pregunta simple, relevante y más interesante de lo que parece: ¿Por qué las lentes que enfocan la luz no violan el segundo principio de la termodinámica? Al usar una lupa para quemar hormigas, ¿no hace que un punto sea más caliente que la temperatura ambiente sin gastar energía? Es absolutamente imposible crear energía, pero nada le impide transferir energía de un lugar a otro, por ejemplo, con una tubería que va del calentador de agua a la ducha. En el caso de la luz solar y la lente, solo tiene que lidiar con esta transferencia de energía de una manera un poco más abstracta. Centrar la luz solar no disminuye la entropía porque lo que hace la lente, más o menos, es intercambiar «información de dirección» por «información de posición»: luz desde una dirección (el del Sol) se lleva a una posición (el punto focal de la lente). La luz perfectamente paralela se puede enfocar en un punto, pero la luz de una dirección diferente se enfoca en otro punto. La luz de diferentes direcciones no puede enfocarse en un solo punto. Entonces, si la luz del Sol no fuera tan paralela, no podríamos usar una lupa para enfocarla tan bien. Es por eso que, en un día nublado, no puede quemar hormigas incluso si el clima es lo suficientemente despejado. La energía está ahí, pero dispersa. Es un poco sorprendente, pero enfocar rayos paralelos en un punto no cambia la entropía de la luz, y hay una buena manera de mostrar esto. Una buena regla general sobre la entropía es «si puedes revertir el proceso, la entropía es constante». Sin embargo, aquí puede hacerlo si desea agregar una segunda lente para «reparar» la luz: Enfocar la luz puede invertirse, como aquí, por lo que no aumenta la entropía. Se podría pensar que con espejos, lentes y fibras ópticas debería haber una manera de atraer muchos rayos de luz a un solo punto para que haga el calor que desee. Pero no.

Este es otro ejemplo más del desagradable teorema del universo. Existe una ley general de termodinámica que dice que nunca se puede enfocar la energía para que el objetivo se caliente más que la fuente. Para que pueda usar todos los espejos y lentes que desee, nunca podrá enfocar la luz solar de modo que supere los 5800 K, la temperatura en la superficie del Sol, pero puede acercarse mucho a ella. En la práctica, sin embargo, no es muy útil porque las máquinas tienden a fundirse a tales temperaturas. Si estuvieras en el punto brillante, verías una imagen ampliada del Sol a través de la lupa. (Foto CC-BY Walter J. Pilsak) Una buena manera de imaginar esto es imaginarte caminando sobre la superficie del Sol, luego imagínate en el punto focal de la lente. Al estar en las capas externas del Sol, tendría todo a su alrededor en todas las direcciones del material que irradia a alrededor de 5800 Kelvin. Como resultado, se encontrará equilibrando esta temperatura, quemándose para siempre. Si usted fuera el foco de un elaborado conjunto de espejos y widgets, estaría en la misma situación, viendo el Sol en todas las direcciones. Y el resultado sería el mismo. Sentimos que podría haber una forma de hacer trampa, pero simplemente no la hay. Si pudieras encontrar una manera de producir un objetivo más cálido que la fuente, habrías producido un movimiento perpetuo. (Nota Dr. G: con las mismas posibilidades de éxito que las ruedas gravitacionales y los artilugios con imanes: nulo)