Historia de la termodinámica (I)

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La historia de la termodinámica es parte indispensable de la historia de la física, la química y la de la ciencia en general. Debido a la relevancia de la termodinámica en gran parte de la ciencia y la tecnología, su historia está finamente entretejida con los desarrollos de la mecánica clásica, la mecánica cuántica, el magnetismo y la cinética química, con campos aplicados más lejanos como la meteorología, la teoría de la información y la biología (fisiología), y con desarrollos tecnológicos como la máquina de vapor, el motor de combustión interna, la criogenia y la generación de electricidad. El desarrollo de la termodinámica impulsó y fue impulsado por la teoría atómica. También, aunque de forma sutil, motivó nuevas direcciones en la probabilidad y la estadística.

Definición de termodinámica

La termodinámica es una rama de la física que se ocupa del calor, el trabajo y la temperatura, y su relación con la energía, la entropía y las propiedades físicas de la materia y la radiación. El comportamiento de estas magnitudes se rige por las cuatro leyes de la termodinámica, que transmiten una descripción cuantitativa a partir de magnitudes físicas macroscópicas medibles, pero pueden explicarse en términos de componentes microscópicos mediante la mecánica estadística.

La termodinámica se aplica a una gran variedad de temas de la ciencia y la ingeniería, especialmente la química física, la bioquímica, la ingeniería química y la ingeniería mecánica, pero también en otros campos complejos como la meteorología.

Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir del deseo de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor, sobre todo gracias a los trabajos del físico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824), que creía que la eficiencia de los motores era la clave que podía ayudar a Francia a ganar las guerras napoleónicas.

El físico escocés-irlandés Lord Kelvin fue el primero en formular una definición concisa de la termodinámica en 1854 que decía: «La termodinámica es el tema de la relación del calor con las fuerzas que actúan entre partes contiguas de los cuerpos, y la relación del calor con la agencia eléctrica.»


Termodinámica en la antigüedad

Termodinámica en la antigüedad

Los antiguos consideraban el calor como algo relacionado con el fuego. En el año 3000 a.C., los antiguos egipcios veían el calor como lo relacionado con las mitologías de origen. La antigua filosofía india, incluida la filosofía védica, cree que cinco elementos básicos son la base de todas las creaciones cósmicas.

Empedocles, filosofo griego
Empedocles, filosofo griego

En la tradición filosófica occidental, tras mucho debate sobre el elemento primigenio entre los primeros filósofos presocráticos, Empédocles propuso una teoría de cuatro elementos, en la que todas las sustancias derivan de la tierra, el agua, el aire y el fuego. El elemento fuego de Empédocles es quizá el principal antecedente de conceptos posteriores como phlogin y calórico. Alrededor del año 500 a.C., el filósofo griego Heráclito se hizo famoso como el filósofo del «flujo y el fuego» por su afirmación: «Todas las cosas fluyen». Heráclito sostenía que los tres elementos principales de la naturaleza eran el fuego, la tierra y el agua.


Calor en la edad media

A principios de la modernidad, se pensaba que el calor era una medida de un fluido invisible, conocido como el calórico. Los cuerpos eran capaces de retener una determinada cantidad de este fluido, lo que dio lugar al término capacidad calorífica, nombrado e investigado por primera vez por el químico escocés Joseph Black en la década de 1750.

En los siglos XVIII y XIX, los científicos abandonaron la idea de un calórico físico, y en su lugar entendieron el calor como una manifestación de la energía interna de un sistema. Hoy en día, el calor es la transferencia de energía térmica desordenada. Sin embargo, al menos en inglés, el término capacidad calórica (Heat capacity) sobrevive. En algunos otros idiomas se prefiere el término capacidad térmica, que también se utiliza a veces en inglés.

Joseph Black, físico y químico escocés
Joseph Black, físico y químico escocés

Relación entre el átomo y la termodinámica

El atomismo es una parte central de la relación actual entre la termodinámica y la mecánica estadística. Pensadores antiguos como Leucipo y Demócrito, y más tarde los epicúreos, al promover el atomismo, sentaron las bases de la posterior teoría atómica. Hasta que en el siglo XX se aportaron pruebas experimentales de los átomos, la teoría atómica se basó en gran medida en consideraciones filosóficas e intuiciones científicas.


El filósofo griego del siglo V a.C., Parménides, en su única obra conocida, un poema titulado convencionalmente Sobre la naturaleza utiliza el razonamiento verbal para postular que en la naturaleza no podía haber un vacío, lo que hoy se conoce como tal. Este punto de vista fue apoyado por los argumentos de Aristóteles, pero fue criticado por Leucipo y Héroe de Alejandría.

Desde la Antigüedad hasta la Edad Media se expusieron diversos argumentos para demostrar o refutar la existencia del vacío y se hicieron varios intentos de construirlo, pero todos resultaron infructuosos.

Los científicos europeos Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei y Santorio Santorio, en los siglos XVI y XVII, fueron capaces de medir la «frialdad» o «calidez» relativa del aire, utilizando un rudimentario termómetro de aire (o termoscopio). Es posible que en ello influyera un aparato anterior que podía expandir y contraer el aire, construido por Filón de Bizancio y Heron de Alejandría.


Hacia 1600, el filósofo y científico inglés Francis Bacon conjeturó «El calor en sí mismo, su esencia y quididad es el movimiento y nada más». En 1643, Galileo Galilei, aunque aceptaba en general la explicación del horror vacui propuesta por Aristóteles, creía que el vacío de la naturaleza era limitado.

Francis Bacon, filósofo y científico inglés
Francis Bacon, filósofo y científico inglés

Las bombas que funcionaban en las minas ya habían demostrado que la naturaleza sólo llenaba el vacío con agua hasta una altura de unos 30 pies. Conociendo este curioso hecho, Galileo animó a su antiguo alumno Evangelista Torricelli a investigar estas supuestas limitaciones. Torricelli no creía que el vacío-aburrimiento (Horror vacui) en el sentido de la perspectiva de Aristóteles de «succión», fuera el responsable de elevar el agua. Más bien, razonó, era el resultado de la presión ejercida sobre el líquido por el aire circundante.

Para demostrar esta teoría, llenó de mercurio un largo tubo de cristal (sellado en un extremo) y lo introdujo en un plato que también contenía mercurio. Sólo una parte del tubo se vació; quedaron unos 30 centímetros de líquido. Al vaciarse el mercurio, se creó un vacío parcial en la parte superior del tubo. La fuerza gravitatoria sobre el elemento pesado Mercurio impidió que se llenara el vacío.


La bomba de vacío y los gases

La historia de la termodinámica como disciplina científica comienza generalmente con Otto von Guericke, que en 1650 construyó y diseñó la primera bomba de vacío del mundo y demostró el vacío con sus semiesferas de Magdeburgo. Guericke se vio impulsado a hacer el vacío para refutar la suposición de Aristóteles de que «la naturaleza aborrece el vacío».

Poco después de Guericke, el físico y químico anglo-irlandés Robert Boyle se enteró de los diseños de Guericke y, en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Utilizando esta bomba, Boyle y Hooke observaron una correlación entre la presión, la temperatura y el volumen. Con el tiempo, se formuló la Ley de Boyle, que establece que la presión y el volumen son inversamente proporcionales. Luego, en 1679, basándose en estos conceptos, un socio de Boyle llamado Denis Papin construyó un digestor de vapor, que era un recipiente cerrado con una tapa bien ajustada que confinaba el vapor hasta que se generaba una alta presión.

Robert Boyle y Denis Papin inspeccionando el digestor de Papin
Robert Boyle y Denis Papin inspeccionando el digestor de Papin

Los diseños posteriores implementaron una válvula de escape de vapor que impedía que la máquina explotara. Al observar el movimiento rítmico de la válvula hacia arriba y hacia abajo, Papin concibió la idea de un motor de pistón y cilindro. Sin embargo, no llevó a cabo su diseño. Sin embargo, en 1697, basándose en los diseños de Papin, el ingeniero Thomas Savery construyó el primer motor, seguido por Thomas Newcomen en 1712. Aunque estos primeros motores eran toscos e ineficaces, atrajeron la atención de los principales científicos de la época.


Para más información THERMODYNAMICS: HISTORY AND PHILOSOPHY Facts, Trends, Debates

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