¿Cómo la formación de un sistema solar no rompe la segunda ley de la termodinámica?

La cuestión se trata con cierto detalle en este artículo de John Baez .

Aunque el artículo asume solo una comprensión básica de la física, probablemente sea demasiado para los que no son físicos, así que lo resumiré. Cuando una nube de gas colapsa, las partículas dentro de ella quedan confinadas a un volumen de espacio más pequeño, por lo que la entropía asociada con su posición (llámese a esto$S_P$) se cae, básicamente el sistema se vuelve más ordenado. Sin embargo, a medida que la nube colapsa, se calienta y la entropía asociada con la temperatura (llámese a esto$S_T$) Sube. La nube colapsada eventualmente se enfriará, por supuesto, pero eso solo transfiere la entropía$S_T$a los fotones irradiados al espacio. De todos modos, el cambio de entropía total para el colapso será:

y sabemos que$S_P \lt 0$y$S_T \gt 0$por lo que los dos términos se anulan entre sí.

Solo John Baez muestra que no se cancelan por completo y que la entropía total sigue bajando y esto es, como dices, una violación de la segunda ley.

Lo que falta en el cálculo es la entropía asociada con el campo gravitatorio. Ya ha habido varias preguntas relacionadas con esto, por ejemplo, ¿la planitud del espacio es una medida de entropía? , pero sospecho que estos serán en gran medida incomprensibles para el profano. Baste decir que la materia que cae aumenta la fuerza del campo gravitatorio asociado con ella, y esto aumenta la entropía. Incluya este término y la entropía total es positiva, por lo que no se viola la segunda ley.

El límite último de esto es formar un agujero negro. Aunque un agujero negro (clásico) está completamente caracterizado por solo tres parámetros, masa, espín y carga, un agujero negro tiene la máxima entropía posible para el volumen de espacio que ocupa.

Según tengo entendido, el sistema solar evolucionó a partir de una nube molecular masiva. Para mí, esto parece romper la segunda ley de la termodinámica, ya que creo que sugiere orden a partir del desorden.

Hay dos problemas aquí. Uno es el concepto de entropía como desorden. Varios textos de termodinámica ahora han descartado este viejo concepto. Por un lado, no ayuda a comprender la entropía. Por otro lado, no es necesariamente correcto. ¿Qué es "desorden"? Si el desorden es solo un sinónimo de un aumento de la entropía, explicar la entropía como una medida del desorden es una tautología sin sentido. Hay que tener mucho cuidado si "desorden" significa algo más que eso.

El segundo problema, y ​​este es mucho más grande, es que la segunda ley de la termodinámica no se aplica aquí. La segunda ley de la termodinámica se aplica a sistemas aislados. Una nube de gas que colapsa no es un sistema aislado. Una vez que la nube de gas se ha colapsado lo suficiente, se vuelve opaca. Irradia energía térmicamente. Esa energía radiada transporta entropía desde la nube de gas al universo como un todo. La segunda ley se aplica a la nube de gas más el resto del sistema del universo. No se aplica necesariamente a la nube de gas en sí.

De hecho, la entropía de la nube de gas disminuye a medida que la nube colapsa. No hay nada de malo en eso. Piense en su aire acondicionado. Encender su aire acondicionado disminuye la entropía de su casa. Su CA transfiere entropía de su casa al aire circundante. La nube de gas que colapsa transfiere de manera similar la entropía al resto del universo.

Una buena discusión semi-técnica del problema general (cómo la evolución post-Big-Bang del universo, incluyendo la formación de galaxias, estrellas, etc., puede reconciliarse con la 2da Ley) se puede encontrar aquí: http: //arxiv.org/abs/0907.0659

Es importante darse cuenta de que mientras el conjunto de átomos en la nube de gas, como sugiere su intuición, pierde entropía durante la formación del Sol, la entropía total del universo aumenta porque los fotones emitidos durante el colapso de la nube de gas contribuyen mucha más entropía. Esta emisión es bastante cercana a la emisión de cuerpo negro, que es la forma de radiación de máxima entropía. (Esto no es realmente "transporte" de entropía; los fotones de cuerpo negro recién creados agregan una cantidad significativa de entropía al universo, más que suficiente para compensar la pérdida de entropía de los átomos).

La "entropía asociada con el campo gravitacional" (como sugiere la primera respuesta) simplemente no es relevante.