Caos y autoorganización

Introducción
1 Termodinámica clásica y termodinámica de los procesos irreversibles
2 Funciones de estado: lenguaje de la termodinámica
3 Fundamentos de la termodinámica
§ 1. Temperatura como función de estado: principio cero
§ 2. Ley de conservación de la energía: primer principio
§ 3. Entropía y energía: segundo principio
§ 4. Postulado térmico de Nernst: tercer principio
4 Termodinámica lineal de los procesos irreversibles
§ 1. Descripción termodinámica de los sistemas fuera de equilibrio: principio de equilibrio local
§ 2. Ecuaciones termodinámicas de movimiento
§ 3. Premio Nobel de 1968: Onsager y el principio de simetría de los coeficientes cinéticos
5 Estados estacionarios de no equilibrio
§ 1. Sistemas discontinuos. Efecto fuente. Procesos mecánico-caloríficos
§ 2. Sistemas continuos. Separación de isótopos mediante difusión térmica
§ 3. Teorema de Prigogine del mínimo de producción de entropía
§ 4. Estabilidad de los estados estacionarios. Principio de Le-Chatelier–Braun
6 Autoorganización en sistemas fuera de equilibrio
§ 1. Transición de un flujo laminar a uno turbulento. Bifurcación de Landáu–Hopf. Atractor extraño de Lorenz
§ 2. Celdas de Bénard. Modelo de autoorganización de la biosfera
§ 3. Surgimiento de la emisión coherente: transición de fase fuera de equilibrio
§ 4. Modelo “depredador-presa” como ejemplo de proceso periódico en la ecología y en la química
§ 5. Ordenación temporal y espacial en las reacciones químicas. Reloj químico: reacción de Bieloúsov–Zhabotinski
7 Estructuras disipativas
§ 1. Premio Nobel de 1977: Prigogine y las estructuras disipativas
§ 2. Las estructuras disipativas y el segundo principio
§ 3. Carácter umbral de la autoorganización. Teoría de las catástrofes de Thom
§ 4. Comportamiento cooperativo
Epílogo
Índice de materias
Índice de autores
Introducción
Entre los grandes logros científicos del siglo XIX, dos de ellos asombran por sus enfoques opuestos: la teoría evolutiva de Ch.Darwin y la termodinámica fenomenológica. La primera fundamenta el desarrollo de la materia viva, desde las formas inferiores hasta las superiores, es decir, el aumento de la complejidad de la organización durante el proceso evolutivo. La segunda predice la desorganización o la destrucción de una estructura inicial dada en un sistema aislado durante la evolución hacia el equilibrio. Así pues, en el siglo XIX, la idea evolutiva surgió en dos formas totalmente contrarias: en forma de la teoría de la “formación de la estructura” de Darwin y de la teoría de la “destrucción de las estructuras”, la cual es, en esencia, la termodinámica clásica. Ambas teorías han sido demostradas mediante un número enorme de experimentos; no obstante, entre ellas no existe ninguna relación directa. A su vez, ambas reflejan una misma realidad física, sólo que corresponden a distintas manifestaciones suyas. Así surge el problema de cómo complementar la termodinámica clásica con la teoría de la “formación de la estructura”, ausente en ella. Este problema pertenece al grupo de los problemas fundamentales de las ciencias naturales, y el estudio del surgimiento de las estructuras es uno de los fines más importantes del conocimiento científico.

Durante las últimas décadas, físicos, químicos y biólogos han logrado aproximarse a la comprensión de los procesos de formación de las estructuras en los sistemas abiertos, es decir, en los sistemas que intercambian materia y energía con el medio ambiente. La respuesta a la pregunta sobre las causas y las regularidades generales de la autoorganización está contenida, como ahora se comprende, en la termodinámica, mejor dicho, en la termodinámica de los procesos irreversibles o, como se le suele denominar, en la termodinámica de no equilibrio.

Epílogo
La autoorganización y el caos o, en un sentido más general, el orden y el desorden son las principales características estructurales de la materia. El enfrentamiento entre las tendencias al orden y al desorden es bien conocido. La evolución de la naturaleza viva y del reino mineral nos demuestra claramente la omnipresencia de los procesos de organización y de desorganización.

El gran mérito de la termodinámica de los procesos irreversibles es la comprensión de que el no equilibrio puede ser la causa del orden. De este modo, por primera vez se consiguió tender un puente y establecer una relación entre estas propiedades tan opuestas. Resultó que en los sistemas abiertos, los procesos irreversibles pueden conducir al surgimiento de un nuevo tipo de estado dinámico de la materia: los sistemas disipativos autoorganizados. Con ello, la fuente de innovaciones en el sistema, es decir, la fuente de evolución estructural son las fluctuaciones, las cuales “ponen en marcha” el mecanismo de inestabilidad que, a su vez, conduce a la formación de una nueva estructura espacio-temporal.

La revelación de las regularidades generales del proceso de autoorganización en el marco de la termodinámica de los procesos irreversibles destacó nuevamente una de las partes más atractivas de la termodinámica: su universalidad, la cual consiste en la posibilidad de reducir un número enorme de fenómenos a varias regularidades fundamentales. Actualmente, esta rama de la termodinámica de los procesos irreversibles sólo comienza a desarrollarse.

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