La energía libre de Gibbs impulsa el diseño de baterías y cohetes

Min Tae-gi, director del SNH Research Institute, explica cómo la energía libre de Gibbs permite predecir cambios en la materia mediante cálculos matemáticos. Esta herramienta de ingeniería es fundamental para desarrollar aleaciones, baterías de iones de litio y combustibles para vehículos de lanzamiento espacial.

Si la entropía se entiende simplemente como el "fenómeno de aumento del desorden", se pierde el principio fundamental de la industria tecnológica moderna. Aunque es común comparar la entropía con el desorden de una habitación, desde una perspectiva de ingeniería, la entropía es un indicador crucial que determina la dirección de los cambios de la materia al interactuar con el entorno.

En este vídeo presentado por Understanding: All the Knowledge in the World, Min Tae-gi, director del SNH Research Institute, comienza su exposición corrigiendo los malentendidos comunes sobre la entropía. Min Tae-gi destacó que, en la física reciente, el término "desorden" puede causar confusión y ya no se utiliza tanto, enfatizando que, especialmente en el ámbito de la ingeniería, el valor industrial de la entropía en sí es mucho más importante que el concepto de desorden. Explicó que "la entropía es cuando una gota de agua cae con fuerza y se esparce", subrayando su significado como herramienta para juzgar la dirección del cambio más allá del simple hecho de dispersarse.

La dirección del cambio varía según el entorno

El núcleo de la entropía reside en que "la dirección del cambio varía según las condiciones dadas". Para ilustrar esto, Min Tae-gi utilizó la relación entre el hielo y el agua. En un entorno de 20 grados, que es temperatura ambiente, que el hielo se derrita naturalmente es un cambio espontáneo; sin embargo, si la temperatura ambiente fuera de -20 grados, la dirección natural sería que el agua se convirtiera en hielo. Es decir, si un cambio ocurrirá de forma espontánea no depende solo de las propiedades de la materia, sino que está determinado por el entorno, como la temperatura y la presión. Utilizó la analogía de que "si el entorno cambia, la habitación también podría limpiarse", indicando que la direccionalidad de la entropía puede cambiar si cambia el entorno.

Esta lógica puede entrar en conflicto con la intuición cotidiana. Min Tae-gi mencionó que la energía necesaria para derretir 1 kg de hielo es mucho mayor que la necesaria para fundir 1 kg de oro, planteando la duda de por qué el oro no se funde a temperatura ambiente mientras que el hielo sí. Esto se debe a que el calor específico del oro es de 0,129, mientras que el del agua es de 4,18, siendo el del agua decenas de veces superior. Aunque se requiere menos energía para fundir el oro, su cambio no ocurre de forma espontánea porque el entorno (la temperatura) no es lo suficientemente alto para fundirlo. En última instancia, para juzgar la dirección de un cambio, es imprescindible considerar el entorno.

Además, Min Tae-gi enfatizó el concepto de "calor latente" (calor oculto), donde la temperatura no cambia durante el proceso de "cambio de fase" de la materia, pero la energía continúa entrando o saliendo. Existen intervalos donde la temperatura se mantiene constante, como cuando el agua hierve a 100 grados o se congela a 0 grados, y el hecho de que la energía se acumule o se libere durante este proceso es una base importante para comprender la entropía y la dirección del cambio.

'Gibbs Free Energy': la herramienta de diseño de la industria moderna

El concepto que permitió aplicar la entropía a la industria real es la 'Gibbs Free Energy'. Establecida por el científico estadounidense Willard Gibbs, esta noción permite calcular matemáticamente en qué dirección cambiará la materia bajo condiciones constantes de temperatura y presión, y qué estado es el más estable. Al utilizar el principio de que los cambios espontáneos ocurren en la dirección en que disminuye la energía libre de Gibbs, es posible predecir reacciones químicas complejas o cambios de estado de la materia.

Min Tae-gi explicó que la energía libre de Gibbs se utiliza como una "herramienta de diseño" en la industria tecnológica avanzada. Mientras que en el pasado los científicos debían encontrar los resultados mediante innumerables pruebas y errores experimentales, ahora es posible predecir las condiciones óptimas mediante cálculos matemáticos utilizando la energía libre de Gibbs. Esto aumenta drásticamente la eficiencia en el desarrollo tecnológico. Añadió la importancia del enfoque de ingeniería basado en fundamentos matemáticos, afirmando que "se deben introducir con precisión valores físicos como la presión, la densidad y el calor específico para calcular con números y así evitar malentendidos".

Desde baterías hasta combustible de cohetes: la base de la ingeniería avanzada

Los campos donde se aplica la teoría de la energía libre de Gibbs son amplios. Entre ellos destacan el diseño de aleaciones, el desarrollo de materiales para baterías de iones de litio y la selección de combustible para vehículos de lanzamiento espacial (cohetes). Por ejemplo, aunque el aluminio y el silicio tienen puntos de fusión altos individualmente, al mezclarlos en una proporción específica se puede crear una aleación que se funda a una temperatura más baja. Este fenómeno es difícil de predecir intuitivamente, pero utilizando la energía libre de Gibbs, se puede calcular teóricamente la proporción de mezcla y el punto de fusión exactos.

Asimismo, la predicción del rendimiento electroquímico según la composición química de los materiales de las baterías, así como el cálculo de las reacciones de combustión y la composición de equilibrio del combustible de los cohetes, también se basan en esta teoría. Min Tae-gi insistió en que "en la industria moderna no se puede hablar sin la energía libre de Gibbs", subrayando que esta teoría es más que una simple ley científica, siendo el fundamento real que sostiene industrias del futuro como los cohetes y las baterías. Del mismo modo que la temperatura de la Tierra se mantiene constante gracias al alto calor específico del agua, proporcionando un entorno apto para la vida, estas propiedades termodinámicas son los principios clave que atraviesan tanto los grandes fenómenos naturales como la tecnología de vanguardia.

En conclusión, comprender la entropía y la energía libre de Gibbs no es simplemente aprender sobre estados de desorden, sino aprender a controlar matemáticamente la "direccionalidad" y la "estabilidad" de los cambios que ocurren en la naturaleza y en los entornos industriales.

Fuente: vídeo original (YouTube)