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Entropía y neguentropía Teoría General de sistemas

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Page 1: Clase 5    teoría de sistemas

Entropía yneguentropíaTeoría General de sistemas

Page 2: Clase 5    teoría de sistemas

1. El flujo de recursos en un sistema

Todo sistema se define como un conjunto de partes interconectadas para lograr un objetivo.

Estas interconexiones permiten que los recursos dentro del sistema pasen por diferentes procesos ó fases (subsistemas) creando un flujo de energía o información según sea el tipo de recurso.

Page 3: Clase 5    teoría de sistemas

1. El flujo de recursos en un sistema

El flujo de energía o información en un sistema es clave para entender o evaluar la función de este.

Al observar cómo se transforman los recursos en función de diversas partes o componentes del sistema, permite establecer relaciones entre dichas partes o asignarles funciones específicas.

Page 4: Clase 5    teoría de sistemas

1. El flujo de recursos en un sistema

Con base a lo anterior, el flujo en un sistema permite realizar diferentes funciones sobre los recursos de un sistema:● Transformación● Distribución● Reunión● Amplificación● Reducción● Inversión

Page 5: Clase 5    teoría de sistemas

Transformación

DistribuciónReunión

+ -

Inversión

5

0.2

Amplificación

Reducción

Page 6: Clase 5    teoría de sistemas

1. El flujo de recursos en un sistema

El flujo en un sistema no se realiza de manera “gratuita”, transportar recursos o transmitir información tiene un costo dentro del sistema que tiene efectos sobre este.

Tales efectos son modelados según las leyes de la termodinámica.

Page 7: Clase 5    teoría de sistemas

2. Las leyes de la termodinámica

Describe las relaciones e intercambios de energía y cómo se transfiere esta de un cuerpo a otro.

A pesar de ser un principio físico, sus enunciados se acomodan a los efectos del transporte o flujo de recursos dentro de un sistema.

Page 8: Clase 5    teoría de sistemas

2.1 Ley cero

En física:Entre dos cuerpos a la misma temperatura no existe flujo de energía calórica, y permanecen en equilibrio estadístico.

En teoría de sistemas:No existe conexión entre dos componentes cuyo objetivo es manipular la misma cantidad y/o el mismo tipo de recurso.

Page 9: Clase 5    teoría de sistemas

A B

A B

Si A y B manejan el mismo tipo de recurso y en las misma cantidades, entonces no existe una conexión entre estas dentro del sistema de referencia

A y B tienen el mismo nivel y tipode recurso (no hay conexión)

A posee una cantidad o tipo de recurso diferente que B

Page 10: Clase 5    teoría de sistemas

2.1 Primera ley (En sistemas energéticos)

En física:En un sistema aislado, la energía total del sistema se conserva. Si un proceso de transformación de energía no es 100% efectivo, las pérdidas se dan en forma de calor (Energía no aprovechable).

En teoría de sistemas:● Un sistema no puede producir salidas superiores a sus entradas sin entrar

en déficit. ● Un sistema, por mucho, puede producir salidas iguales en cantidad a sus

entradas.● Si un sistema produce salidas menores al 100% de sus entradas, la

energía restante es entregada al medio o acumulada por el sistema

Page 11: Clase 5    teoría de sistemas

ES = EIN - EOUTESEIN EOUT

ELOST = EIN - EOUT

ES = 0

ELOST es energía no aprovechablepara el sistema

ESEIN

EOUT

ELOST

Sistema que acumula recursos

Sistema con pérdidas sin acumulación de recursos

Page 12: Clase 5    teoría de sistemas

2.2 Segunda ley

En física:El flujo de calor en un sistema termodinámico siempre va en dirección del cuerpo de mayor temperatura al de menor.

En teoría de sistemas:Un sistema que transforma un recurso de entrada en uno de salida normalmente no puede realizar el proceso inverso.

Page 13: Clase 5    teoría de sistemas

S

Si S transforma los recursos de A en los requeridos por B, no debe ser capazde realizar el proceso contrario. Para ello requiere otro subsistema diferente

A B

SA Bs

Page 14: Clase 5    teoría de sistemas

2.1 Segunda ley (Otra definición)

En física:Todo proceso de conversión de energía involucra que una porción se convierte en calor. Este calor no es aprovechable y por tanto todo proceso de intercambio de energía tiende eventualmente a convertir todo en calor.

En teoría de sistemas:Los recursos de un sistema no son 100% aprovechables, siempre habrá pérdidas que dirigen al sistema hacía su estado más probable (caos ó equilibrio estadiśtico).

Page 15: Clase 5    teoría de sistemas

15%10%0%

100%

0%

0%0%

0%

0%

90%0%

0%

85%

0%0%

30%

0%

0%

0%70% 40%

60%

0%

0%0% 50%

0%

0%

50%0%

1 2 3

4 5 6

Page 16: Clase 5    teoría de sistemas

3. Entropía

La entropía puede entenderse de varias maneras:● La tendencia que tiene todo sistema a alcanzar su

estado más probable (alta entropía).● La medida de la cantidad de energía que no es

aprovechable por el sistema para ser transformada de nuevo.

● La medida del caos o falta de organización en un sistema.

Page 17: Clase 5    teoría de sistemas

3. Entropía

De acuerdo a la definición anterior, un sistema con BAJA entropía cumple:● No se encuentra en su estado más probable.● La mayor parte de su energía puede ser usada en

nuevos procesos● Es altamente organizado

Page 18: Clase 5    teoría de sistemas

Ejemplos:

Castillo de naipes Huevo El aire bajo estructura de vientos(Alta organización) (Alta organización) (Energía eólica aprovechable)

Page 19: Clase 5    teoría de sistemas

3. Entropía

De acuerdo a la definición anterior, un sistema con ALTA entropía cumple:● Se encuentra en su estado más probable.● Su energía está presente pero no se puede aprovechar

de nuevas formas● Es altamente desordenado

Page 20: Clase 5    teoría de sistemas

Ejemplos:

Castillo de naipes Huevo El aire bajo estructura de vientos(Desordenado) (Roto) (El aire sino es viento no se puede aprovechar)

Page 21: Clase 5    teoría de sistemas

Cuestiones extra:

- Ques es más fácil de mantener ¿Un castillo de naipes o un conjunto desordenado de cartas?

- Un huevo sometido a las fuerzas del exterior ¿Es más fácil que permanezca entero? ¿O que se rompa?

- ¿El aire en un recinto se convierte en viento? sino ¿Que hay que hacer para generar viento?

Page 22: Clase 5    teoría de sistemas

3.1. Definición de estado más probable

El estado más probable de un sistema es aquel que asegura no ser alterado fácilmente por las condiciones del medio.

Normalmente una condición aleatoria o de azar asegura poca variabilidad a condiciones externas.

Se dice que el universo tiende a distribuir la energía de forma uniforme, maximizando la entropía y que por ende todo sistema tiene a maximizar su entropía (por naturaleza)

Page 23: Clase 5    teoría de sistemas

3.2. Entropía en sistemas cerrados

A pesar de que un sistema cerrado, (por definición), no se comunica con su medio; la generación de entropía es un hecho ineludible y se considera como una corriente de entrada permanente debido a que es inducida por la naturaleza del universo.

SISTEMA

Entropía

Page 24: Clase 5    teoría de sistemas

Por qué el aumento de entropía es un hecho ineludible en sistemas cerrados?

- La primera ley de la termodinámica asegura que la cantidad de energía en un sistema cerrado debe ser constante.

- La segunda ley implica que los procesos no son reversibles a través del mismo subsistema y que cada proceso involucra pérdidas de energía.

- Por tanto, si siempre hay cantidades de energía representadas en pérdidas y si la energía total del sistema no debe cambiar, significa que esa energía se convierte en energía no aprovechable (entropía).

Page 25: Clase 5    teoría de sistemas

Consecuencias de la entropía en sistemas cerrados:

- El nivel de entropía de los subsistemas no puede ser mayor al nivel de entropía del medio. (El sistema debe ser siempre más organizado que su exterior).

- Un sistema llega a sus estado más probable cuando su energía no está contenida en sus partes sino en el medio de forma no aprovechable

- En el estado mas probable, el sistema y sus partes no representan una estructura funcional con un objetivo y pierde su definición de sistema.

Page 26: Clase 5    teoría de sistemas

50%30%0%

50%

50%

0%0%

0%

0%

35%35%

25%

25%

0%0%

60%

0%

0%

20%20% 100%

0%

0%

0%0% 100%

Estado inicial (t=0): toda la energía incluida en el sistema

Estado (t=1): se pierde 30% de energía que recibe el exterior.

Estado (t=2):Debido a que los niveles de energía cada vez son mas homogéneos, se transfiere menos energía y hay menos pérdidas (20% esta vez).

Estado (t=3): Cada vez se transfiere menos energía, pero la entropía no deja de aumentar Equilibrio (t=∞): Eventualmente la energía es

absorbida por el medio, y no hay flujo.

Máxima entropía: Sin flujo de energía, no se distinguen componentes entre sí, se llega al estado más probable (caos) y desaparece el sistema.

Page 27: Clase 5    teoría de sistemas

Ejemplos y cuestiones:

Para los siguientes sistemas cerrados cual su estado más probable y por qué se llega ahí?

- Un sistema masa resorte- Un péndulo- Un ecosistema aislado (caja de petri)

Page 28: Clase 5    teoría de sistemas

Ejemplos y cuestiones:

Para los siguientes sistemas cerrados cual su estado mas probable y por qué se llega ahí?

- Un sistema masa resorte (Cero movimiento)- Un péndulo (Cero movimiento)- Un ecosistema aislado (Muerte)

Page 29: Clase 5    teoría de sistemas

3.2. Entropía en sistemas abiertos

El fenómeno de entropía también afecta a los sistemas abiertos y se considera como una corriente de entrada que impulsa el sistema a su estado de caos o destrucción

SISTEMAEntrada

Entropía

Salida

Page 30: Clase 5    teoría de sistemas

3.2. Entropía en sistemas abiertos

Al igual que en sistemas cerrados, la entropía es ineludible. Sin embargo, a diferencia de estos, los sistemas abiertos pueden tomar recursos del medio para contrarrestarla.

SISTEMAEntrada

Entropía

Salida

Page 31: Clase 5    teoría de sistemas

Ejemplos y cuestiones:

Para los siguientes sistemas abiertos cual su estado mas probable?

- Un ser vivo- Un negocio- Un péndulo invertido

Page 32: Clase 5    teoría de sistemas

Ejemplos y cuestiones:

Para los siguientes sistemas abiertos cual su estado mas probable?

- Un ser vivo (muerte)- Un negocio (quiebra)- Un péndulo invertido (masa en equilibrio hacia abajo)

Page 33: Clase 5    teoría de sistemas

- En los sistemas cerrado la entropía siempre es creciente, por tanto en algún momento el sistema llegará a su estado más probable que es el caos.

- Sin embargo hay sistemas que conforme pasa el tiempo no parecen desordenarse y, más aún, van evolucionando en un sistema más organizado.

- Note, sin embargo que este último grupo de sistemas normalmente caben dentro de la categoría de sistemas abiertos o vivos

Page 34: Clase 5    teoría de sistemas

Ejemplos y cuestiones:

Para los siguientes sistemas abiertos como se combate el estado más probable?

- Un ser vivo (metabolismo)- Un negocio (gestión)- Un péndulo invertido (control)

Page 35: Clase 5    teoría de sistemas

4. Neguentropía

También denominada entropía negativa, hace referencia a la acción que hace un sistema para contrarrestar su nivel de entropía creciente. Normalmente el sistema usa parte de sus recursos para tal acción.

SISTEMA

EntropíaSalida

Neguentropía

Page 36: Clase 5    teoría de sistemas

4. Neguentropía

La ley de conservación de energía también ilustra como la energía preservada por el sistema se puede usar para combatir la entropía

Page 37: Clase 5    teoría de sistemas

5. Entropía y neguentropía (sistemas de información)

Anteriormente se habló de que el conocimiento en un sistema de información siempre es creciente debido a la ley de incrementos.

Page 38: Clase 5    teoría de sistemas

5. Entropía y neguentropía (sistemas de información)

Sin embargo, entendiendo un sistema de información como un un proceso que toma información del medio, codifica un mensaje y lo entrega al receptor, es posible observar que el elemento encargado de codificar el mensaje puede ser sujeto de ruido, variaciones o corrupción del mensaje.

Canal o

medio de información

Información

Ruido

Mensaje

Page 39: Clase 5    teoría de sistemas

5. Entropía y neguentropía (sistemas de información)

Tal ruido o corrupción del mensaje se considera una fuente de entropía ya que reduce la información que se puede obtener del sistema y condiciona el estado más probable en el receptor del mensaje que es cualquier información (correcta o errada) que pueda suponer acerca del medio que estudia.

Canal o

medio de información

Información

Ruido

Mensaje

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5. Entropía y neguentropía (sistemas de información)

Por su parte, la generación de nueva información se considera una fuente de neguentropía.

Así mismo, la calidad del canal de información también contribuye a la reducción de entropía.

Canal omedio de información

Información

Ruido

Mensaje

Page 41: Clase 5    teoría de sistemas

5.1. Medición de la máxima entropía (estado más probable) en sistemas de información.

El estado más probable en un sistema de información depende del número de estados ‘N’ que puede tener un mensaje.

Tal estado más probable se logra cuando todos los estados del mensaje tienen la misma probabilidad de ser entregados por el canal. Es decir P(1)=P(2)=P(3)…=P(n).

En el estado más probable, la máxima entropía se mide como la posibilidad de entregar el mensaje incorrecto asumiendo que todos los estados tienen la misma posibilidad de entregarse.

Page 42: Clase 5    teoría de sistemas

5.1. Medición de la máxima entropía (estado mas probable) en sistemas de información.

La fórmula de máxima entropía es:

Por ejemplo para un sistema de información donde la información solo tiene dos estados de respuesta (si ó no) tenemos N=2.

Para un sistema, que envía mensajes por medio de letras (26) y dígitos (10) tenemos N=36.

Un sistema con infinitos estados se tiene:

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5.2. Cómo reducir la entropía en sistemas de información?

El estado de máxima entropía se reduce minimizando las posibilidades de estados erróneos y maximizando los correctos a través de:- Nuevos datos o información- Buena calidad de la comunicación

Canal omedio de información

Información

Ruido

Mensaje

Page 44: Clase 5    teoría de sistemas

Ejemplo:

Se tiene un piso cuadriculado de 6x6 baldosas. Se lanza una moneda sobre ese piso y se desea saber en qué baldosa cayó.

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Numeramos los estados del 1 al 36:

Sin tener datos de donde cayó la moneda cualquier estado es posible.

Page 46: Clase 5    teoría de sistemas

El sonido que produce la moneda al caer indica donde cayó exactamente, sin embargo como el oido humano no es muy fino (mal canal), no es posible definir el estado correcto con seguridad

Page 47: Clase 5    teoría de sistemas

Si alguien me indica que cayó en una esquina, tengo información no del todo precisa pero se transmite de forma correcta (lenguaje humano)

Page 48: Clase 5    teoría de sistemas

Finalmente, la información precisa por un canal muy fiable, por ejemplo, ver donde cayó, minimiza la entropía.

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5.2. Cómo reducir la entropía en sistemas de información?

La reducción de entropía o ruido es un problema recurrente en sistemas de comunicación digital (transmisión de bits) o de señales analógicas (radio frecuencia).