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, el trabajo producido es proporcional a la diferencia entre el calor que entra y el que sale". La constante de proporcionalidad era la misma encontrada por Joule. Hacia 1850, por tanto, estaba firmemente establecido que el calor no era una substancia fluida indestructible, sino que era equivalente al trabajo, y, por tanto, una forma de transferencia de energía. E se año suele considerarse como año de nacimiento de la termodinámica, cuando Clausius enunció la equivalencia entre calor y trabajo como primer principio de la termodinámica. Enunció también el segundo principio: para conseguir que pase calor de un cuerpo a otro a temperatura más alta, siempre es necesario realizar trabajo. Más adelante veremos los enunciados rigurosos de ambos principios.

Definición de termodinámica

Estamos ahora en condiciones de dar una definición más precisa:

La termodinámica es la parte de la física que estudia los estados de los sistemas materiales macroscópicos, y los cambios que pueden darse entre esos estados, en particular, en lo que respecta a temperatura, calor y energía.

Vamos a precisar el significado de cada término.

* Parte de la física: la termodinámica será una ciencia experimental y matematizada.

* Sistema = porción definida de materia que elegimos para su estudio, separada de todo lo demás por una superficie o frontera conceptual. Cuando ésta es real, suele llamársele pared. Todo lo que no es el sistema recibe el nombre de entorno, alrededores o medio exterior. Cuando un sistema está dentro de otro, se dice que es un subsistema.

Ejemplo.: Sistemas termodinámicos:

a) El agua y (vapor de agua + aire) contenido en una botella. Pared=botella

b) El (vapor de agua + aire) del ejemplo anterior es un subsistema. Su frontera es la botella y la superficie del agua.

c) Vemos que a partir de una misma realidad física podemos definir varios sistemas, porque la elección de la frontera es arbitraria. Sin embargo, la arbitrariedad tiene un límite: el vapor de agua del ejemplo anterior no forma un sistema termodinámico, porque está íntimamente mezclado con el aire y no puede distinguirse una frontera. Según lo que nos propongamos estudiar habrá unas elecciones más adecuadas que otras; tener claro cual es el sistema es básico para poder entender un razonamiento termodinámico.

d) La Tierra. Su frontera es una esfera con radio de la Tierra.

e) Aire y vapor de gasolina en el cilindro de un motor. Paredes: el cilindro y el émbolo.

En física se distinguen sistemas microscópicos (de tamaño comparable o inferior al de una molécula) y macroscópicos. La termodinámica se ocupará exclusivamente de sistemas macroscópicos, en los que el número de moléculas es enorme.

Aunque la pared no forma parte del sistema, su especificación es necesaria

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