La entropía siempre aumenta, ¿por qué la temperatura de nuestro universo sigue disminuyendo? ¿No debería aumentar para los aumentos de entropía?

A menudo los expertos dicen que la entropía del universo no es un concepto bien definido, por lo que es difícil de discutir y es especulativo (ver Wikipedia “muerte por calor del universo”). Pero he incluido referencias incontestables como soporte de la mayoría de las siguientes declaraciones.

La base de todos los modelos estándar del universo que comienzan con una gran explosión es que la entropía del universo es constante por volumen expansivo a gran escala del universo. Ver el popular libro de 1973 de Stephen Weinberg “Los primeros tres minutos”, donde dice que esta constante de entropía es más fundamental que la constante de energía + masa del volumen en expansión. Se dice que la entropía se conserva sobre una base de volumen “comoving”. Esto significa que la entropía promedio de volúmenes fijos muy grandes del universo (donde no permite que los medidores se expandan con el tiempo debido a la constante de Hubble) está disminuyendo. La entropía en el espacio “vacío” por volumen fijo está disminuyendo. Los sistemas gravitacionales donde la masa se concentra (como los sistemas solares, los agujeros negros y las galaxias) siempre emiten y, por lo tanto, reducen su entropía local (creo que esta entropía emitida como “permitiendo” que el universo se expanda).

“La entropía siempre aumenta” solo se aplica a sistemas aislados que no permiten que la energía o la masa se intercambien con el entorno. Pero no existe en la naturaleza un sistema idealmente aislado (ver Wikipedia en “sistema aislado”). “La entropía siempre aumenta” no es una declaración exacta de la segunda ley (referencia: buscar “entropía de Feynman”). La afirmación exacta es “W = Q1-Q2”, donde W es el trabajo máximo que se puede extraer de los depósitos de calor en T1 y T2 entregando calor Q1 y Q2 que están a diferentes temperaturas. Para un sistema aislado que incluye los depósitos, 0 = Q1-Q2-W. Pero las paredes fijas que lo rodean tendrán una temperatura que emitirá energía de radiación (calor) y, por lo tanto, disminuirá su entropía.

La superficie de la Tierra es un sistema abierto que recibe energía de la luz solar, energía de calor de fricción de las fuerzas de gravedad de la luna y energía de desintegración nuclear del núcleo, mientras libera una gran cantidad de entropía al universo en forma de fotones. La superficie de la Tierra podría estar aumentando, disminuyendo o siendo constante en su entropía (no puedo encontrar una respuesta y profundizar en el efecto de la vida en el siguiente párrafo). Un planeta geológicamente muerto que recibe luz solar tiene una cantidad constante de entropía, pero está aumentando la entropía del universo al convertir los fotones de luz solar dirigida de alta energía en un número mucho mayor de fotones no direccionados de baja energía al ser calentados por el Sol. Un fotón de menor energía tiene la misma cantidad de entropía que un fotón de alta energía porque su menor impulso se compensa al estar en una región más grande del espacio (# de estados = x * p). Entonces, el número no dirigido y mayor es lo que hace que los fotones re-radiados (de igual energía total que los fotones entrantes) tengan más entropía. Ver Wikipedia “gas fotónico” donde S = 4/3 * U / T y dado que T es energía cinética dirigida aleatoriamente por partícula (ver derivación de temperatura “gas ideal”) y U es energía total, la entropía de fotones aleatoriamente dirigida es proporcional a su número e inversamente proporcional a su grado de aleatorización y no a la energía individual.

La vida es el resultado de una afluencia de energía libre de Gibbs del Sol, la luna, el núcleo y la geología preexistente que produce reacciones químicas espontáneas. Los “genes” no tienen fuerza física en sí mismos, pero son catalizadores duraderos de materia física que son el resultado de la dinámica pasada de la materia disponible bajo la influencia de la fuerza física de la afluencia preexistente y continua de energía libre de Gibbs. Los genes tienen un efecto continuo sobre el resto de la materia no genética debido a la afluencia continua de energía libre de Gibbs. “La vida crea” (más correctamente: la energía libre de Gibb produce) estructuras sólidas que tienen una entropía más baja, pero también emite gases (como O2 puede CO2) que tienen una entropía alta que cancelan aproximadamente el efecto (según mi suma de la entropía específica ( entropía / mol) de los productos y reactivos). Pero los productos de estas reacciones que llamamos vida y que encontramos útiles en economía son las partes que tienen menor entropía por masa en comparación con los minerales o gases originales que utilizamos como insumos.

Las estructuras bajo un control económico cada vez mayor (pensamiento, cooperativo) tienen una entropía cada vez más baja porque tener una entropía más baja significa que están cada vez más en estados “conocidos”, lo que permite un mayor control que da lugar al acero, motores, células solares, fibra de carbono, nanotubos y chips de computadora, en concierto con cristales de ADN preexistentes, huesos, conchas y dientes. Los enlaces más fuertes casi siempre significan una entropía más baja porque los átomos no pueden moverse tan lejos a diferentes estados (estados ~ momento de impulso por posición = x * p). Entropía por mol de un material = a * ln (x * p) + b donde a y b son constantes para una fase dada (gas, líquido, sólido) de un conjunto dado de moléculas o átomos. x * p depende del volumen y la temperatura, y “a” y “b” dependen de la masa por partícula, la relación entre la energía interna y la temperatura (energía cinética aleatoria) de cada molécula o átomo, y el grado de dependencia de la x * p estados de cada molécula o átomo entre sí (ver “fonones”).

La temperatura del universo bajó y está cayendo principalmente debido a la expansión.

La temperatura no es entropía, la entropía es una medida de la creciente energía no disponible para hacer el trabajo. Creo que lo estás confundiendo con el “calor residual”. Calentamos agua con carbón o combustible nuclear (transformando un tipo de energía en otro) para que podamos usar esa energía para hacer el trabajo. La energía total de ese sistema disponible para hacer el trabajo se reduce, incluso mientras la energía de masa total permanece sin cambios.

La temperatura puede expresarse como la inversa de la tasa de cambio de entropía (S) con energía interna (U), dado un volumen (V) y un número de partículas (N) que se mantienen constantes.

El volumen (V) está cambiando en este caso.

La entropía es energía / temperatura, por unidad. Entonces, para la misma energía, a medida que baja la temperatura, aumenta la entropía. Es por eso que el calor fluye hacia áreas de temperatura INFERIOR y deja áreas de temperatura más alta: esa dirección y ese proceso AUMENTA la entropía.

Discuto que la entropía siempre está aumentando. El total de energía en nuestro universo es fijo y proviene de la singularidad del big bang. Si la entropía aumenta, entonces la energía tendría que ser alimentada a nuestro universo desde el multiverso, lo que no parece ser el caso. ¿Cómo puedes decir que la entropía está aumentando? Quien dice eso ¿Dé dónde viene la energía? Si de repente se materializara, esa energía tendría que ser alimentada desde el multiverso. Si no es de dónde más? Y eso probablemente sería el nacimiento de otro universo dentro de nuestro universo
Si la entropía aumenta, entonces la temperatura de nuestro universo se mantendría estable en un escenario de universo en expansión, siempre que alguien alimente la cantidad precisa de energía para mantener la misma temperatura. Alternativamente, en un universo de tamaño constante (que no se expande ni se contrae) un aumento de la entropía daría como resultado que la temperatura suba. Si el universo se está expandiendo y no hay aumento en la entropía, la temperatura del universo bajará. Ese es el caso.