Historia De La Termodinamica

Concepto de termodinámica

¿Qué significa termodinámica? La palabra proviene de dos palabras griegas: thermé, que significa "calor", y dynamis, cuyo sentido original es "fuerza". En física, sin embargo, dinámica se opone a estática, y se refiere a "cambios" por oposición a "equilibrio".

Etimológicamente, pues, "termodinámica" sería la ciencia que estudia los cambios en los sistemas físicos en los que interviene el calor. Nosotros nos vamos a ocupar sobre todo de los estados de equilibrio, por lo que un nombre más adecuado para esta asignatura podría ser termoestática.

Nos ajustaremos, sin embargo, al uso más corriente: en vez de "termoestática" hablaremos de "termodinámica del equilibrio", y cuando no se trate de estados de equilibrio, hablaremos de "termodinámica de procesos irreversibles".

Por tanto, tenemos como definición provisional que la termodinámica e s la ciencia del calor.

En este capítulo introductorio emplearemos sin definir palabras como "calor", "trabajo", "temperatura", que se irán definiendo con precisión a lo largo del curso.

Aplicaciones

El calor comienza a ser objeto de un estudio muy activo a finales del Siglo XVIII y principios del Siglo XIX: a raíz del invento de la máquina de vapor, comienza el estudio sistemático de la posibilidad de obtener trabajo a partir del calor. La termodinámica tuvo pues un origen ligado a las necesidades tecnológicas de la época. Con el creciente consumo de energía, la importancia de las aplicaciones de la termodinámica no ha dejado de aumentar.

Algunos de lo s ámbitos de aplicación actuales son:

Plantas de potencia (combustibles fósiles, fisión nuclear, energía solar, energía geotérmica...);

Máquinas (vapor, gasolina, diesel, turbinas...);

Calefacción, refrigeración y acondicionamiento de aire;

Otros: tratamientos térmicos de materiales, procesos químicos, disipación de calor en equipos eléctricos y mecánicos...

Historia

El termómetro

A principios del S X VII, varios científicos se propusieron conseguir una medida cuantitativa de lo "caliente" o "frío" que estaba un cuerpo. Uno de los primeros aparato s diseña dos con este objetivo fue el "termoscopio" de Galileo. El termómetro que hoy conocemos, de alcohol metido en un tubo sellado, fue inventado en 1640 por el gran duque Fernando II de Toscana. Se basaba en la observación de que el alcohol se dilata al calentarse. Al meter el alcohol en un tubo fino puede observarse bien esta dilatación y tomar su longitud como medida de lo caliente que está. A esta longitud se le puede asociar un número: la temperatura.

Que esta idea funcione y un termómetro sirva para medir realmente la temperatura de los cuerpos, se basa en otros dos hechos físicos:

1.: Si se ponen dos cuerpos en contacto suficiente tiempo, acabarán estando igual de calientes o fríos (es decir, a la misma temperatura): si queremos medir la T de un vaso de agua, al poner en contacto el termómetro con el agua un buen rato, los dos acaban a la misma temperatura (si no fuera a sí, el termómetro no serviría para nada, porque mediría su propia temperatura y no la de los cuerpos con los que le ponemos en contacto).

En términos modernos, esta es la idea de equilibrio térmico: cuando dos cuerpos están en contacto, el más caliente se enfría y el más frío se calienta, hasta que se igualan sus temperaturas. Este es un estado de equilibrio: una vez alcanzado, ya no hay más cambios.

2.: Si uno de los dos cuerpos en contacto (vaso) es mucho más grande que el otro (termómetro), la temperatura de equilibrio se parece mucho a la temperatura del cuerpo grande (si no fuera así, no estaríamos midiendo la temperatura del vaso).

En términos modernos, decimos que el vaso tiene una capacidad calorífica mucho más grande que el termómetro.

Más adelante se definirán con rigor los conceptos de equilibrio térmico y de capacidad calorífica.

Por el momento, vamos a ver con un poco más de detalle cómo se intentó explicar en la época el comportamiento descrito en los puntos 1 y 2.

¿Por qué se igualan las temperaturas? Hubo quien pensó que era la propia temperatura la que pasaba ("pasaban unos grados" de un cuerpo a otro)(4). Sin embargo, hay una explicación mucho más satisfactoria, basada en una analogía hidráulica. Todo ocurre como si al igualarse las temperaturas circulara entre los cuerpos en contacto un "fluido calórico". Un cuerpo grande necesita más fluido calórico que uno pequeño para que se eleve su temperatura lo mismo, porque tiene más "capacidad calorífica".

La teoría del calórico

Basándose en estas observaciones, Joseph Black formuló hacia 1770 la teoría del calórico: un fluido impalpable que lo llena todo, cuya concentración en un cuerpo es lo que sentimos como temperatura, y que pasa de los cuerpos calientes a los fríos al ponerlos en con tacto térmico, hasta que se igualan sus temperaturas. Según Black, las partículas de calórico tienden a repelerse, pesan, y ni se crean ni se destruyen. La teoría del calórico explicaba muy bien la mayor parte de los experimentos, y tuvo gran aceptación hasta 1850. El nombre de capacidad calorífica tiene en ella su origen: es la capacidad de "almacenar calórico". Sadi Carnot empleó esta teoría para establecer

Equivalencia entre calor y trabajo: nacimiento de la termodinámica

Lo que acabó con la teoría del calórico y marcó el nacimiento de la ciencia de la termodinámica fue el descubrimiento de la equivalencia entre calor y trabajo. La relación entre ambos era un tema de gran interés en la época de la máquina de vapor. Ya Rumford, en 1800, había señalado que la teoría del calórico n o podía explicar satisfactoriamente la conversión d e trabajo en calor debida al rozamiento.

En 1840, Joule hizo una serie de experimentos convirtiendo trabajo en calor de muchas maneras distintas, y encontró que la cantidad de calor que se obtiene es proporcional a la cantidad de trabajo invertida, y que la constante de proporcionalidad es siempre la misma, independientemente del tipo de trabajo realizado. Denominó a esta constante equivalente mecánico del calor.

Se sabía también que puede realizarse la conversión en sentido contrario: las máquinas térmicas (como la de vapor) convierten calor en trabajo. M ayer formuló esta equivalencia rigurosamente en 1844, afirmando que "en una máquina térmica,

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