William John Macquorn Rankine

Actualizado en junio 26, 2023

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William John Macquorn Rankine (5 de julio de 1820 – 24 de diciembre de 1872) fue un ingeniero mecánico escocés que también contribuyó a la ingeniería civil, la física y las matemáticas. Fue uno de los fundadores, junto con Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin), de la ciencia de la termodinámica, centrándose especialmente en la primera de las tres leyes termodinámicas. Desarrolló la escala Rankine, un equivalente a la escala Kelvin de temperatura, pero en grados Fahrenheit en lugar de Celsius.

Rankine desarrolló una teoría completa de la máquina de vapor y, de hecho, de todas las máquinas de calor. Sus manuales de ciencia y práctica de la ingeniería se utilizaron durante muchas décadas después de su publicación en las décadas de 1850 y 1860. Publicó varios cientos de artículos y notas sobre temas de ciencia e ingeniería, a partir de 1840, y sus intereses fueron muy variados, incluyendo, en su juventud, la botánica, la teoría musical y la teoría de los números, y, en sus años de madurez, la mayoría de las principales ramas de la ciencia, las matemáticas y la ingeniería.

Era un entusiasta cantante, pianista y violonchelista aficionado que componía sus propias canciones humorísticas.

Infancia y educación

Rankine nació en Edimburgo, hijo del teniente David Rankin (sic), un ingeniero civil de origen militar, que más tarde trabajó en el Ferrocarril de Edimburgo a Dalkeith (conocido localmente como el Ferrocarril de los Inocentes). Su madre era Barbara Grahame, de una prominente familia legal y bancaria.

Su padre se trasladó a Escocia en varios proyectos y la familia se mudó con él. En un principio, William se educó en casa, pero más tarde asistió a la Academia Ayr (1828-29) y luego a la Escuela Secundaria de Glasgow (1830). Alrededor de 1830 la familia se trasladó a Edimburgo cuando el padre obtuvo un puesto como gerente del ferrocarril de Edimburgo a Dalkeith. La familia vivía entonces en el número 2 de Arniston Place.

En 1834 fue enviado a la Academia Naval y Militar Escocesa en Lothian Road en Edimburgo con el matemático George Lee. Para ese año William ya era muy competente en matemáticas y recibió, como regalo de su tío, Principia de Isaac Newton (1687) en latín original.

En 1836, Rankine comenzó a estudiar un espectro de temas científicos en la Universidad de Edimburgo, incluyendo la historia natural bajo Robert Jameson y la filosofía natural bajo James David Forbes. Bajo Forbes fue premiado por sus ensayos sobre métodos de investigación física y sobre la teoría ondulatoria (o de las ondas) de la luz. Durante las vacaciones, asistió a su padre que, desde 1830, fue gerente y, más tarde, efectivo tesorero e ingeniero del Ferrocarril de Edimburgo y Dalkeith que trajo carbón a la creciente ciudad.

Vida laboral y científica de Rankine

Dejó la Universidad de Edimburgo en 1838 sin un título (lo cual no era entonces inusual) y, quizás debido a las estrechas finanzas familiares, se convirtió en aprendiz de Sir John Benjamin Macneill, que era entonces agrimensor de la Comisión de Ferrocarriles Irlandeses. Durante su aprendizaje desarrolló una técnica, conocida más tarde como el método de Rankine, para trazar curvas de ferrocarril, explotando plenamente el teodolito y mejorando sustancialmente la precisión y la productividad con respecto a los métodos existentes. De hecho, la técnica fue utilizada simultáneamente por otros ingenieros, y en la década de 1860 hubo una pequeña disputa sobre la prioridad de Rankine.

El año 1842 también marcó el primer intento de Rankine de reducir el fenómeno del calor a una forma matemática, pero se vio frustrado por su falta de datos experimentales. En el momento de la visita de la Reina Victoria a Escocia, más tarde ese año, organizó una gran hoguera situada en el Asiento de Arturo, construida con pasajes de aire radiante bajo el combustible. La hoguera sirvió como un faro para iniciar una cadena de otras hogueras a través de Escocia.

En 1850 fue elegido miembro de la Sociedad Real de Edimburgo y su proponente fue el profesor James David Forbes. Ganó el Premio Keith de la Sociedad durante el período 1851-53. Sirvió como Vicepresidente de la Sociedad de 1871 a 1872.

Desde 1855 fue profesor de Ingeniería Civil y Mecánica en la Universidad de Glasgow.

Murió en Albion Crescent (ahora llamada Dowanside Road), Dowanhill, Glasgow, a las 11:45 de la noche de Navidad, el 24 de diciembre de 1872, con sólo 52 años. Era soltero y no tenía hijos. Su muerte fue registrada por su tío, Alex Grahame (cuñado de su difunta madre).

El aporte de William Rankine a la termodinámica

William Rankine volvió a su fascinación juvenil con la mecánica de la máquina de calor. Aunque su teoría de las corrientes circulantes de vórtices elásticos cuyos volúmenes se adaptaban espontáneamente a su entorno suena extravagante para los científicos formados en un relato moderno, para 1849 había logrado encontrar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura.

Al año siguiente, utilizó su teoría para establecer relaciones entre la temperatura, la presión y la densidad de los gases, y expresiones para el calor latente de la evaporación de un líquido. Predijo con precisión el sorprendente hecho de que el calor específico aparente del vapor saturado sería negativo.

Envalentonado por su éxito, en 1851 se propuso calcular la eficiencia de los motores térmicos y utilizó su teoría como base para deducir el principio de que la máxima eficiencia posible para cualquier motor térmico es una función sólo de las dos temperaturas entre las que funciona. Aunque ya se había obtenido un resultado similar por parte de Rudolf Clausius y William Thomson, Rankine afirmó que su resultado se basaba en su hipótesis de los vórtices moleculares solamente, más que en la teoría de Carnot o en alguna otra suposición adicional. El trabajo marcó el primer paso en el viaje de Rankine para desarrollar una teoría más completa del calor.

Rankine posteriormente refundió los resultados de sus teorías moleculares en términos de una cuenta macroscópica de la energía y sus transformaciones. Definió y distinguió entre la energía real que se perdía en los procesos dinámicos y la energía potencial por la que se reemplazaba. Asumió que la suma de las dos energías era constante, una idea ya, aunque seguramente no por mucho tiempo, familiar en la ley de conservación de la energía.

A partir de 1854, hizo un amplio uso de su función termodinámica que más tarde se dio cuenta de que era idéntica a la entropía de Clausius. Para 1855, Rankine había formulado una ciencia de la energía que daba cuenta de la dinámica en términos de energía y sus transformaciones en lugar de la fuerza y el movimiento. La teoría fue muy influyente en la década de 1890. En 1859 propuso la escala de Rankine de temperatura, una escala absoluta o termodinámica cuyo grado es igual a un grado Fahrenheit.

El enfoque energético ofreció a Rankine un enfoque alternativo, y bastante más convencional, a su ciencia y, desde mediados de la década de 1850, hizo un uso bastante menor de sus vórtices moleculares. Sin embargo, todavía afirmaba que el trabajo de Maxwell sobre electromagnetismo era efectivamente una extensión de su modelo. Y, en 1864, sostuvo que las teorías microscópicas del calor propuestas por Clausius y James Clerk Maxwell, basadas en el movimiento atómico lineal, eran inadecuadas. No fue hasta 1869 que Rankine admitió el éxito de estas teorías rivales. Para entonces, su propio modelo del átomo se había vuelto casi idéntico al de Thomson.

Como era su objetivo constante, especialmente como profesor de ingeniería, usó sus propias teorías para desarrollar un número de resultados prácticos y para elucidar sus principios físicos, incluyendo:

• La ecuación Rankine-Hugoniot para la propagación de las ondas de choque, gobierna el comportamiento de las ondas de choque normales al flujo entrante. Lleva el nombre de los físicos Rankine y del ingeniero francés Pierre Henri Hugoniot
• El ciclo de Rankine, un análisis de un motor de calor ideal con un condensador. Como otros ciclos termodinámicos, la máxima eficiencia del ciclo de Rankine viene dada por el cálculo de la máxima eficiencia del ciclo de Carnot
• Propiedades del vapor, los gases y los vapores.

La historia de la rotodinámica está repleta de la interacción de la teoría y la práctica. William Rankine realizó por primera vez un análisis de un eje giratorio en 1869, pero su modelo no era adecuado y predijo que no se podían alcanzar velocidades supercríticas.

Para más información William Rankine (1820 – 1872) – Biography – MacTutor

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