Historia De La Termodinamica

HISTORIA DE LA TERMODINÁMICA

TERMOMETRÍA (DE GALILEO A BLACK)

La segunda gran revolución científica tuvo lugar en el s. XVI con la llegada de la filosofía experimentalista. A partir de ahí, el desarrollo de las ciencias es tan prodigioso que se ramifican y multiplican, consolidándose separadamente por un lado la Mecánica, luego la Electricidad y finalmente la Termodinámica, casi en nuestros días.

El concepto más singular en Termodinámica es el de temperatura (la energía es común a otras ciencias físicas, y la entropía a otras ciencias informáticas). La temperatura es la fuerza de escape de la energía térmica, y mide el nivel térmico o grado de calentamiento de los cuerpos.

Ya el hombre primitivo debió darse cuenta de que la temperatura era un atributo de los cuerpos, que impresionaba los sentidos de una manera particular, independientemente del estado mecánico (en reposo, en movimiento, arriba, abajo, fragmentado). Dos piedras iguales ofrecerían a sus sentidos sensaciones diferentes si una de ellas había sido calentada por el sol (o por algún compañero, malintencionado o no). La clasificación de los diferentes estados térmicos fue muy simplista: caliente, tibio (como el cuerpo humano), templado (con el ambiente) y frío, enriqueciéndose con modos comparativos como ‘frío como el hielo’, frío como el invierno, caliente como el verano, caliente como el agua hirviendo, caliente como el fuego.

Aunque el estudio de los fenómenos térmicos puede remontarse a los sabios griegos que describieron aparatos donde se comprimían aire y vapores, es tradicional asociar el comienzo de la Termodinámica con el primer termómetro, atribuido a Galileo (también parece ser que fue él el primero en utilizar el concepto de energía), quien en hacia 1607 empezó a utilizar como tal un bulbo de vidrio, del tamaño de un puño, abierto a la atmósfera a través de un tubo delgado (un artificio análogo fue descrito por Filo de Bizancio hacia el año 100 a.C.). Para evaluar la temperatura ambiente, se calentaba con la mano el bulbo y se introducía parte del tubo (boca abajo) en un recipiente con agua coloreada; la variación de temperatura del aire atrapado en el proceso de enfriamiento al ambiente ocasionaba un ascenso del nivel del líquido en el tubo que era proporcional a la diferencia entre la temperatura ambiente y la del cuerpo humano. Pese a que ahora sabemos que las variaciones de presión pueden desvirtuar estas medidas (el barómetro lo inventó Torricelli en 1643), el concepto de temperatura (del latín "temperare": bien mezclado, sin tensiones) era ya patente.

Posteriormente se admitió, pese a la engañosa evidencia de nuestros sentidos, que todos los cuerpos expuestos a las mismas condiciones de calor y frío deberían tener la misma temperatura, distinguiendo temperatura de calor (a nivel conceptual, diríamos, pues en el vocabulario vulgar todavía hoy perdura la confusión). Estos primeros aparatos tuvieron ya algunas aplicaciones "científicas" en Meterorología, en Agricultura (estudio de la incubación de huevos), en Medicina (fiebres), etc., pero las escalas eran tan arbitrarias como "la temperatura del día más frío del invierno", lo que impedía toda comparación, hasta que Farenheit introdujo en 1717 el termómetro de precisión.

En 1641, el Duque de Toscana, fundador de la Academia Florentina de los Experimentos, aprovechando la entonces emergente tecnología de tubos capilares de vidrio, introduce el termómetro de bulbo con alcohol y capilar sellado, prácticamente como los usados hoy, y en esa época ya se empieza a distinguir entre temperatura (estado térmico) y calor (flujo de energía térmica).

A mediados del XVII, el científico inglés Robert Boyle constató que en los gases encerrados a temperatura ambiente el producto de la presión por el volumen permanecía constante, y también que la temperatura de ebullición disminuía con la presión. Por entonces el filósofo francés Blaise Pascal llegó a la conclusión de que la presión en un fluido en reposo no depende de la orientación del medidor.

En 1704 Guillaume Amontons apuntó la idea de la escala absoluta de temperaturas, basándose en que al bajar la temperatura en un gas a volumen constante baja la presión, y ésta no podía ser negativa.

En 1717 Farenheit, un holandés fabricante de instrumentos técnicos, introdujo el termómetro de mercurio con bulbo (usado todavía hoy) y tomó como "puntos fijos" el de congelación de una disolución saturada de sal común en agua, y la temperatura del cuerpo humano, dividiendo en 96 partes iguales esta escala, que ha sido utilizada en los países anglosajones hasta nuestros días (el 96 viene de sucesivas divisiones de la escala de 12 grados, usada en Italia en el s. XVII). Con este termómetro de precisión Farenheit consiguió medir la variación de la temperatura de ebullición con la presión ambiente y llegó a proponer a la Royal Society en 1740 su uso como hipsómetro, es decir, como medidor de altitudes geográficas.

En 1740, Celsius propuso los puntos de fusión y ebullición del agua al nivel del mar como puntos fijos y la división en 100 grados, aunque asignó el 100 al punto de hielo y el 0 al del vapor porque en Suecia interesaba más medir el grado de frío que el de calor; fue el botánico y explorador Linneo, tras la muerte de Celsius, quien cambió el orden. Esta escala, que se llamó centígrada por contraposición a la mayoría de las demás graduaciones, que eran de 60 grados, según la tradición astronómica), basada en esos dos puntos fijos, ha perdurado hasta época reciente (1967), adoptándose en el congreso de la IPTS’48 la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y la escala Celsius, desplazada 273,15 K respecto a la absoluta, que sustituía a la escala centígrada.

En 1744 Mikhail Vasilievich Lomonossov publica un artículo teórico sobre el frío y el calor como manifestación del movimiento microscópico.

Paralelamente se empezaron a desarrollar aplicaciones técnicas de la energía térmica. A finales del s. XVII se empezó a utilizar el vapor de agua para mover las bombas de achique de las minas de carbón en Inglaterra. Las primeras máquinas fueron la bomba de Savery (1698) y la de Newcomen (1711); en esta última, el vapor a presión prácticamente atmosférica procedente de una caldera (alambique de cobre de cervecería) se metía en un cilindro y elevaba un émbolo que por medio de un balancín accionaba la bomba en un sentido, luego se cerraba la entrada de vapor y se inyectaba agua fría que ocasionaba un gran vacío en el cilindro y movía el émbolo en el otro sentido, volviendo a repetirse el ciclo. Esta conversión de energía térmica en energía mecánica, que daba 4 kW con un rendimiento del 1%, fue el fundamento de la Revolución Industrial y dio origen a una nueva ciencia: la Termodinámica, que estudiaba la transformación de calor (termo) en trabajo (dinámica). Durante el s. XVIII se asentaron las bases para la utilización de las máquinas de vapor para mover maquinaria industrial y en el transporte marítimo (barcos) y terrestre (locomotoras). En 1769 Watt ideó la separación entre el expansor y el condensador y a partir de entonces se empezó la fabricación a nivel industrial.

Muy relacionado con la ingeniería térmica está el desarrollo de la Mecánica de Fluidos, con hitos sobresalientes como la Hidrodinámica de D. Bernoulli en 1738.

CALORIMETRÍA (DE BLACK A JOULE)

Los trabajos experimentales recibieron un gran impulso a finales del XVIII. En 1765, el profesor de química escocés Joseph Black (Watt fue ayudante suyo) realiza un gran número de ensayos calorimétricos, distinguiendo claramente calor (cantidad de energía) de temperatura (nivel térmico), e introduciendo los conceptos de calor específico y calor latente de cambio de estado. Uno de estos experimentos consistía en echar un bloque de hierro caliente en un baño de hielo y agua y observar que la temperatura no variaba. Desgraciadamente, sus experimentos eran a presión constante cuando se trataba de líquidos, y a volumen constante cuando eran gases, por lo que ocurría que el trabajo intercambiado por el sistema con el exterior era siempre despreciable, dando origen a la creencia errónea de que el calor se conservaba en los procesos térmicos, lo que se reflejaba en la famosa teoría del calórico.

La idea del calórico estaba en consonancia con una era (s. XVIII) de gestación científica en la que predominaban las teorías de los fluidos sutiles: el calórico, el flogisto, la electricidad,... Los postulados de esta teoría reflejaban aquellos experimentos deficientes: 1) el calórico es un fluido elástico cuyas partículas se repelen, por lo que los cuerpos se dilatan al recibir calor; 2) la atracción del calórico por la materia depende de cada sustancia y de su estado térmico, como lo muestra la variación de la capacidad

calorífica; 3) el calórico se conserva en cualquier transformación, como demuestra la calorimetría; 4) el calórico puede ser "sensible", o combinarse con la materia, como ocurre en los cambios de fase; 5) el calórico pesa, como explica el aumento de peso de ciertos metales al ser calcinados en presencia del aire (posteriormente se eliminó este último postulado).

Aunque ya en 1774 Lomonosov rechazaba la teoría del calórico y atribuía el calor al movimiento microscópico molecular, no fue hasta 1842, con los concluyentes experimentos de Mayer y Joule, cuando se desechó este modelo. En 1798, B. Thompson (conde Rumford) combatió la teoría del calórico arguyendo que se podía generar continuamente

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