Henry Cavendish

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Henry Cavendish FRS (10 de octubre de 1731 – 24 de febrero de 1810) fue un filósofo natural y científico inglés, importante químico y físico experimental y teórico. Es conocido por su descubrimiento del hidrógeno, al que denominó «aire inflamable». Describió la densidad del aire inflamable, que formaba agua en la combustión, en un artículo de 1766, On Factitious Airs. Más tarde, Antoine Lavoisier reprodujo el experimento de Cavendish y dio su nombre al elemento.

Hombre tímido, Cavendish se distinguió por su gran exactitud y precisión en sus investigaciones sobre la composición del aire atmosférico, las propiedades de los distintos gases, la síntesis del agua, la ley que rige la atracción y la repulsión eléctricas, una teoría mecánica del calor y los cálculos de la densidad (y por tanto de la masa) de la Tierra. Su experimento para medir la densidad de la Tierra (que, a su vez, permite calcular la constante gravitatoria) se conoce como el experimento de Cavendish.

Primeros años

Henry Cavendish nació el 10 de octubre de 1731 en Niza, donde vivía su familia en ese momento. Su madre era Lady Anne de Grey, cuarta hija de Henry Grey, primer duque de Kent, y su padre era Lord Charles Cavendish, tercer hijo de William Cavendish, segundo duque de Devonshire. La madre de Henry murió en 1733, tres meses después del nacimiento de su segundo hijo, Federico, y poco antes del segundo cumpleaños de Henry, dejando a Lord Charles Cavendish la crianza de sus dos hijos. Henry Cavendish fue llamado «El honorable Henry Cavendish».

Desde los 11 años, Henry asistió a la Newcome’s School, una escuela privada cerca de Londres. A los 18 años (el 24 de noviembre de 1748) ingresó en la Universidad de Cambridge, en el St Peter’s College, ahora conocido como Peterhouse, pero lo dejó tres años más tarde, el 23 de febrero de 1751, sin licenciarse (en aquella época, una práctica habitual). Luego vivió con su padre en Londres, donde pronto tuvo su propio laboratorio.

Influencia cientifica

Lord Charles Cavendish dedicó su vida primero a la política y luego, cada vez más, a la ciencia, especialmente en la Royal Society de Londres. En 1758, llevó a Henry a las reuniones de la Royal Society y también a las cenas del Royal Society Club. En 1760, Henry Cavendish fue elegido miembro de estos dos grupos, y después fue asiduo a su asistencia. No participó prácticamente en la política, pero siguió a su padre en la ciencia, a través de sus investigaciones y su participación en organizaciones científicas. Participó activamente en el Consejo de la Real Sociedad de Londres (a la que fue elegido en 1765).

Su interés y experiencia en el uso de instrumentos científicos le llevaron a dirigir un comité para revisar los instrumentos meteorológicos de la Royal Society y a ayudar a evaluar los instrumentos del Real Observatorio de Greenwich. Su primer artículo, Factitious Airs, apareció en 1766. Otros comités en los que participó fueron el comité de ponencias, que elegía los trabajos para su publicación en las Transacciones Filosóficas de la Royal Society, y los comités para el tránsito de Venus (1769), para la atracción gravitatoria de las montañas (1774) y para las instrucciones científicas de la expedición de Constantine Phipps (1773) en busca del Polo Norte y el Paso del Noroeste.

En 1773, Henry se unió a su padre como administrador electo del Museo Británico, al que dedicó mucho tiempo y esfuerzo. Poco después de la creación de la Royal Institution de Gran Bretaña, Cavendish se convirtió en gerente (1800) y se interesó activamente, sobre todo en el laboratorio, donde observó y ayudó en los experimentos químicos de Humphry Davy.

Aportes a la química de Cavendish

Posterior a la muerte de su padre, Cavendish comenzó a trabajar estrechamente con Charles Blagden, una asociación que ayudó a Blagden a entrar de lleno en la sociedad científica londinense. A cambio, Blagden ayudó a mantener el mundo a distancia de Cavendish.

Cavendish no publicó ningún libro y pocos artículos, pero consiguió muchos logros. Varias áreas de investigación, como la mecánica, la óptica y el magnetismo, aparecen ampliamente en sus manuscritos, pero apenas figuran en su obra publicada. Cavendish está considerado como uno de los llamados químicos neumáticos de los siglos XVIII y XIX, junto con, por ejemplo, Joseph Priestley, Joseph Black y Daniel Rutherford. Cavendish descubrió que, por la acción de ciertos ácidos sobre determinados metales, se producía un gas definido, peculiar y altamente inflamable, al que denominó «aire inflamable». Este gas era el hidrógeno, que Cavendish adivinó correctamente en una proporción de dos a uno en el agua.

Cavendish y el hidrógeno

Aunque otros, como Robert Boyle, habían preparado antes el gas hidrógeno, se suele atribuir a Cavendish el mérito de haber reconocido su naturaleza elemental. En 1777, Cavendish descubrió que el aire exhalado por los mamíferos se convertía en «aire fijo» (dióxido de carbono), y no en «aire flogístico» como había predicho Joseph Priestley.

Además, disolviendo álcalis en ácidos, Cavendish produjo dióxido de carbono, que recogió, junto con otros gases, en botellas invertidas sobre agua o mercurio. A continuación, midió su solubilidad en agua y su gravedad específica, y observó su combustibilidad. En su artículo de 1778, «General Considerations on Acids«, concluyó que el aire respirable constituye la acidez.

Cavendish recibió la medalla Copley de la Royal Society por este trabajo. La química de los gases adquirió una importancia creciente en la segunda mitad del siglo XVIII y resultó crucial para la reforma de la química del francés Antoine-Laurent Lavoisier, conocida generalmente como la revolución química.

Trabajo sobre gases

En 1783, Cavendish publicó un artículo sobre la eudiometría (la medición de la bondad de los gases para respirar). Describió un nuevo eudiómetro de su invención, con el que consiguió los mejores resultados hasta la fecha, utilizando lo que en otras manos había sido el método inexacto de medir los gases pesándolos.

A continuación, tras la repetición de un experimento realizado por Priestley en 1781, Cavendish publicó un trabajo sobre la producción de agua pura mediante la combustión de hidrógeno en «aire desflogisticado» (aire en proceso de combustión, que ahora se sabe que es el oxígeno). Cavendish llegó a la conclusión de que, en lugar de sintetizarse, la combustión de hidrógeno provocaba la condensación del agua del aire. Algunos físicos interpretaron el hidrógeno como flogisto puro.

Cavendish comunicó sus conclusiones a Priestley a más tardar en marzo de 1783, pero no las publicó hasta el año siguiente. El inventor escocés James Watt publicó un artículo sobre la composición del agua en 1783; la controversia sobre quién hizo el descubrimiento primero fue el resultado.

En 1785, Cavendish investigó la composición del aire común (es decir, atmosférico), obteniendo resultados impresionantemente precisos. Realizó experimentos en los que el hidrógeno y el aire ordinario se combinaban en proporciones conocidas y luego explotaban con una chispa de electricidad. Además, también describió un experimento en el que fue capaz de eliminar, en terminología moderna, los gases de oxígeno y nitrógeno de una muestra de aire atmosférico hasta que sólo quedó una pequeña burbuja de gas sin reaccionar en la muestra original.

Gracias a sus observaciones, Cavendish observó que, una vez determinadas las cantidades de aire flogizado (nitrógeno) y de aire desflogizado (oxígeno), quedaba un volumen de gas que equivalía a 1/120 del volumen original de nitrógeno. Mediante cuidadosas mediciones, llegó a la conclusión de que «el aire común está formado por una parte de aire desflogizado (oxígeno), mezclada con cuatro de flogizado (nitrógeno)».

En la década de 1890 (unos 100 años después), dos físicos británicos, William Ramsay y Lord Rayleigh, se dieron cuenta de que su recién descubierto gas inerte, el argón, era el responsable del problemático residuo de Cavendish; no había cometido un error. Lo que había hecho era realizar experimentos cuantitativos rigurosos, utilizando instrumentos y métodos estandarizados, con el objetivo de obtener resultados reproducibles; había tomado la media del resultado de varios experimentos y había identificado y permitido las fuentes de error. La balanza que utilizó, fabricada por un artesano llamado Harrison, fue la primera de las balanzas de precisión del siglo XVIII, y tan exacta como la de Lavoisier (que se ha estimado que mide una parte entre 400.000). Cavendish trabajó con sus constructores de instrumentos, generalmente mejorando los existentes en lugar de inventar otros totalmente nuevos.

La cruzada contra el flogisto

Cavendish utilizaba el lenguaje de la antigua teoría del flogisto en química. En 1787, fue uno de los primeros fuera de Francia en convertirse a la nueva teoría antiflogística de Lavoisier, aunque seguía siendo escéptico en cuanto a la nomenclatura de la nueva teoría. También se opuso a que Lavoisier identificara el calor como algo que tenía una base material o elemental. Trabajando en el marco del mecanismo newtoniano, Cavendish había abordado el problema de la naturaleza del calor en la década de 1760, explicando el calor como el resultado del movimiento de la materia.

En 1783, publicó un trabajo sobre la temperatura a la que se congela el mercurio y en ese trabajo hizo uso de la idea de calor latente, aunque no utilizó el término porque creía que implicaba la aceptación de una teoría material del calor. Sus objeciones las hizo explícitas en su trabajo de 1784 sobre el aire.

A continuación, desarrolló una teoría general del calor, cuyo manuscrito se ha fechado de forma convincente a finales de la década de 1780. Su teoría era a la vez matemática y mecánica: contenía el principio de la conservación del calor (más tarde entendido como un caso de conservación de la energía) e incluso incluía el concepto (aunque no la etiqueta) del equivalente mecánico del calor.

El experimento de Cavendish

Tras la muerte de su padre, Henry compró otra casa en la ciudad y también una casa en Clapham Common (construida por Thomas Cubitt), por aquel entonces al sur de Londres.La casa de Londres contenía la mayor parte de su biblioteca, mientras que guardaba la mayor parte de sus instrumentos en Clapham Common, donde realizó la mayoría de sus experimentos.

El más famoso de esos experimentos, publicado en 1798, fue para determinar la densidad de la Tierra y se conoció como el experimento de Cavendish. El aparato que Cavendish utilizó para pesar la Tierra fue una modificación de la balanza de torsión construida por el inglés y geólogo John Michell, que murió antes de poder comenzar el experimento. El aparato fue enviado en cajas a Cavendish, quien completó el experimento en 1797-1798 y publicó los resultados.

El aparato experimental consistía en una balanza de torsión con un par de esferas de plomo de 2 pulgadas y 1,61 libras suspendidas del brazo de una balanza de torsión y dos bolas de plomo fijas mucho más grandes (350 libras). Cavendish pretendía medir la fuerza de atracción gravitatoria entre ambas. Se dio cuenta de que el aparato de Michell sería sensible a las diferencias de temperatura y a las corrientes de aire inducidas, por lo que realizó modificaciones aislando el aparato en una habitación separada con controles externos y telescopios para realizar las observaciones.

Con este equipo, Cavendish calculó la atracción entre las bolas a partir del periodo de oscilación de la balanza de torsión, y luego utilizó este valor para calcular la densidad de la Tierra. Cavendish descubrió que la densidad media de la Tierra es 5,48 veces mayor que la del agua. John Henry Poynting señaló más tarde que los datos deberían haber conducido a un valor de 5,448 y de hecho ése es el valor medio de las veintinueve determinaciones que Cavendish incluyó en su trabajo. La cifra publicada se debió a un simple error aritmético por su parte.

Lo extraordinario del experimento de Cavendish fue la eliminación de toda fuente de error y de todo factor que pudiera perturbar el experimento, así como su precisión en la medición de una atracción asombrosamente pequeña, apenas 1/50.000.000 del peso de las bolas de plomo. El resultado que Cavendish obtuvo para la densidad de la Tierra está dentro del 1% de la cifra actualmente aceptada.

El trabajo de Cavendish llevó a otros a obtener valores precisos de la constante gravitatoria (G) y de la masa de la Tierra. Basándose en sus resultados, se puede calcular un valor para G de 6,754 × 10-11N-m2/kg2, que se compara favorablemente con el valor moderno de 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

Los libros suelen describir el trabajo de Cavendish como una medida de G o de la masa de la Tierra. Dado que éstas están relacionadas con la densidad de la Tierra mediante una red trivial de relaciones algebraicas, ninguna de estas fuentes es errónea, pero no coinciden con la elección exacta de palabras de Cavendish, y este error ha sido señalado por varios autores. El objetivo declarado de Cavendish era medir la densidad de la Tierra.

La primera vez que la constante recibió este nombre fue en 1873, casi 100 años después del experimento de Cavendish. Los resultados de Cavendish también dan la masa de la Tierra.

Investigaciones sobre electricidad

Los experimentos eléctricos y químicos de Cavendish, al igual que los relativos al calor, habían comenzado mientras vivía con su padre en un laboratorio de su casa de Londres. Lord Charles Cavendish murió en 1783, dejando casi todo su cuantioso patrimonio a Henry.

Al igual que su teoría del calor, la teoría integral de la electricidad de Cavendish tenía forma matemática y se basaba en experimentos cuantitativos precisos. En colaboración con su colega Timothy Lane, creó un pez torpedo artificial que podía dispensar descargas eléctricas para demostrar que la fuente de descarga de estos peces era la electricidad.

Publicó una primera versión de su teoría de la electricidad en 1771, basada en un fluido eléctrico expansivo que ejercía presión. Demostró que, si la intensidad de la fuerza eléctrica era inversamente proporcional a la distancia, entonces el fluido eléctrico más que el necesario para la neutralidad eléctrica se encontraría en la superficie exterior de una esfera electrificada; luego lo confirmó experimentalmente. Cavendish continuó trabajando en electricidad después de este trabajo inicial, pero no publicó más sobre el tema.

Cavendish escribió artículos sobre temas eléctricos para la Royal Society, pero el grueso de sus experimentos eléctricos no se dio a conocer hasta que fueron recopilados y publicados por James Clerk Maxwell un siglo más tarde, en 1879, mucho después de que otros científicos obtuvieran los mismos resultados.

Los documentos eléctricos de Cavendish de las Transacciones Filosóficas de la Real Sociedad de Londres se han reimpreso, junto con la mayoría de sus manuscritos eléctricos, en The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Según la edición de 1911 de la Encyclopædia Britannica, entre los descubrimientos de Cavendish se encuentran el concepto de potencial eléctrico (que denominó «grado de electrificación»), una primera unidad de capacitancia (la de una esfera de una pulgada de diámetro), la fórmula de la capacitancia de un condensador de placa, el concepto de constante dieléctrica de un material, la relación entre el potencial eléctrico y la corriente (ahora llamada Ley de Ohm) (1781), las leyes para la división de la corriente en circuitos paralelos (ahora atribuidas a Charles Wheatstone), y la ley del cuadrado inverso de la variación de la fuerza eléctrica con la distancia, ahora llamada Ley de Coulomb.

Personalidad, muerte y legado de Cavendish

Cavendish heredó dos fortunas tan grandes que Jean Baptiste Biot le llamó «el más rico de todos los sabios y el más entendido de los ricos». A su muerte, Cavendish era el mayor depositante del Banco de Inglaterra.

Era un hombre tímido que se sentía incómodo en sociedad y la evitaba cuando podía. Sólo podía hablar con una persona a la vez, y sólo si ésta era conocida por él y de sexo masculino. Conversaba poco, vestía siempre con un traje anticuado y no se le conocían vínculos personales profundos fuera de su familia.

Cavendish era taciturno y solitario y muchos lo consideraban excéntrico. Sólo se comunicaba con sus sirvientas mediante notas. Según un relato, Cavendish mandó añadir una escalera trasera a su casa para evitar encontrarse con su ama de llaves, ya que era especialmente tímido con las mujeres. Los relatos contemporáneos sobre su personalidad han llevado a algunos comentaristas modernos, como Oliver Sacks, a especular que padecía el síndrome de Asperger, una forma de autismo.

Su única salida social era el Royal Society Club, cuyos miembros cenaban juntos antes de las reuniones semanales. Cavendish rara vez faltaba a estas reuniones y era profundamente respetado por sus contemporáneos. Sin embargo, su timidez hacía que los que buscaban su conversación hacia que la respuesta fuera vacía y mascullada, muchas veces acompañada por un chillido molesto, luego de lo cual Cavendish huía a un lugar más tranquilo. Las opiniones religiosas de Cavendish también se consideraban excéntricas para su época. Se le consideraba agnóstico. Como comenta su biógrafo, George Wilson, «En cuanto a la religión de Cavendish, no era nada».

La disposición de su residencia reservaba sólo una parte del espacio para la comodidad personal, ya que su biblioteca estaba separada, las habitaciones superiores y el césped se destinaban a la observación astronómica y su salón era un laboratorio con una fragua en una habitación contigua. También le gustaba coleccionar muebles finos.

Debido a su comportamiento asocial y reservado, Cavendish evitaba a menudo publicar sus trabajos, y muchos de sus descubrimientos no se comunicaban ni siquiera a sus compañeros científicos. A finales del siglo XIX, mucho después de su muerte, James Clerk Maxwell revisó los documentos de Cavendish y encontró observaciones y resultados que habían sido atribuidos a otros.

Ejemplos de lo que se incluyó en los descubrimientos o anticipaciones de Cavendish fueron la ley de Richter de las proporciones recíprocas, la ley de Ohm, la ley de Dalton de las presiones parciales, los principios de la conductividad eléctrica (incluida la ley de Coulomb) y la ley de Charles de los gases.

Un manuscrito «Heat», fechado provisionalmente entre 1783 y 1790, describe una «teoría mecánica del calor». Hasta ahora desconocido, el manuscrito fue analizado a principios del siglo XXI. El historiador de la ciencia Russell McCormmach propuso que «Calor» es la única obra del siglo XVIII que prefigura la termodinámica. El físico teórico Dietrich Belitz concluyó que en esta obra Cavendish «acertó esencialmente en la naturaleza del calor».

Mientras Cavendish realizaba su famoso experimento sobre la densidad de la Tierra en una dependencia del jardín de su finca de Clapham Common, sus vecinos señalaban el edificio y decían a sus hijos que allí se pesaba el mundo.

En honor a los logros de Henry Cavendish y gracias a una dotación concedida por su pariente William Cavendish, séptimo duque de Devonshire, el laboratorio de física de la Universidad de Cambridge fue bautizado como Laboratorio Cavendish por Maxwell, primer profesor de física de Cavendish y admirador del trabajo de Cavendish.

Cavendish murió en Clapham el 24 de febrero de 1810 (siendo uno de los hombres más ricos de Gran Bretaña) y fue enterrado, junto con muchos de sus antepasados, en la iglesia que hoy es la Catedral de Derby. La calle en la que vivía en Derby lleva su nombre. El Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge fue dotado por uno de los parientes posteriores de Cavendish, William Cavendish, séptimo duque de Devonshire (canciller de la Universidad de 1861 a 1891).

Para más información Henry Cavendish

• Chemistry: A Volatile History Episodio 1
• La ley de Henry
• Medición de la densidad de soluciones y líquidos
• Capa orgánica y capa acuosa
• Henry Moseley