Historia de la termodinámica (III)

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La termodinámica evolucionó a la par del estudio de los gases. Gracias a sus propiedades, fue posible estimar las primeras propiedades termodinámicas de sustancias, así como establecer las leyes básicas que rigen el comportamiento de los gases.

Nacimiento de la termodinámica como ciencia

El físico y químico irlandés Robert Boyle construyó en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke, una bomba de aire. Utilizando esta bomba, Boyle y Hooke observaron la correlación presión-volumen: P*V=constante. En aquella época, se suponía que el aire era un sistema de partículas inmóviles, y no se interpretaba como un sistema de moléculas en movimiento.

El concepto de movimiento térmico llegó dos siglos después. Así, la publicación de Boyle en 1660 habla de un concepto mecánico: el resorte del aire. Más tarde, tras la invención del termómetro, se pudo cuantificar la propiedad temperatura. Esta herramienta dio a Gay-Lussac la oportunidad de derivar su ley, que condujo poco después a la ley de los gases ideales.

Recipientes a presión

Pero, ya antes del establecimiento de la ley de los gases ideales, un asociado de Boyle llamado Denis Papin construyó en 1679 un digestor a vapor (también llamado digestor de Papin o digestor de huesos, ya que se ideó para extracción de grasas de los huesos en un entorno de vapor a alta presión), que es un recipiente cerrado con una tapa bien ajustada que confina el vapor hasta que se genera una alta presión.

Los diseños posteriores implementaron una válvula de liberación de vapor para evitar que la máquina explotara. Observando el movimiento rítmico de la válvula hacia arriba y hacia abajo, Papin concibió la idea de un motor de pistones y cilindros. 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. Aunque estos primeros motores eran toscos e ineficaces, atrajeron la atención de los principales científicos de la época. Uno de ellos fue Sadi Carnot, el «padre de la termodinámica», que en 1824 publicó Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego, un discurso sobre el calor, la potencia y la eficiencia de los motores. Esto marca el inicio de la termodinámica como ciencia moderna.

Maquinas de vapor y motores

Así, antes de 1698 y de la invención de la máquina Savery, se utilizaban caballos para accionar poleas, unidas a cubos, que sacaban el agua de las minas de sal inundadas en Inglaterra. En los años siguientes, se construyeron más variantes de máquinas de vapor, como la máquina de Newcomen y, más tarde, la de Watt. Con el tiempo, estas primeras máquinas acabarían sustituyendo a los caballos. Así, cada máquina comenzó a asociarse con una cierta cantidad de «potencia de caballo» dependiendo de cuántos caballos había sustituido.

El principal problema de estos primeros motores era que eran lentos y torpes, convirtiendo en trabajo útil menos del 2% del combustible aportado. En otras palabras, había que quemar grandes cantidades de carbón (o madera) para obtener sólo una pequeña fracción de trabajo. De ahí que naciera la necesidad de una nueva ciencia de la dinámica del motor.

La mayoría cita el libro de Sadi Carnot de 1824 Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esa fuerza) como punto de partida de la termodinámica como ciencia moderna. Carnot definió la «fuerza motriz» como la expresión del efecto útil que un motor es capaz de producir. De este modo, Carnot nos introdujo en la primera definición moderna de «trabajo»: peso levantado a través de una altura. El deseo de comprender, a través de la formulación, este efecto útil en relación con el «trabajo» es el núcleo de toda la termodinámica moderna.

Definición de trabajo y calor

En 1843, James Joule encontró experimentalmente el equivalente mecánico del calor. En 1845, Joule comunicó su experimento más conocido, que consistía en utilizar un peso que caía para hacer girar una rueda de paletas en un barril de agua, lo que le permitió estimar un equivalente mecánico del calor de 819 ft-lbf/Btu (4,41 J/cal). Esto condujo a la teoría de la conservación de la energía y explicó por qué el calor puede hacer trabajo.

En 1850, el famoso físico matemático Rudolf Clausius acuñó el término «entropía» (das Wärmegewicht, simbolizado S) para denotar el calor que se pierde o se convierte en residuo. («Wärmegewicht» se traduce literalmente como «peso del calor»; el término inglés correspondiente procede del griego τρέπω, «giro»).

El origen de la palabra termodinámica

Sin embargo, el nombre de «termodinámica» no llegó hasta 1854, cuando el matemático y físico británico William Thomson (Lord Kelvin) acuñó el término termodinámica en su artículo Sobre la teoría dinámica del calor.

En asociación con Clausius, en 1871, el matemático y físico escocés James Clerk Maxwell formuló una nueva rama de la termodinámica llamada Termodinámica Estadística, que funciona para analizar grandes cantidades de partículas en equilibrio, es decir, sistemas en los que no se producen cambios, de modo que sólo son importantes sus propiedades medias como la temperatura T, la presión P y el volumen V.

Poco después, en 1875, el físico austriaco Ludwig Boltzmann formuló una conexión precisa entre la entropía S y el movimiento molecular:

definiéndose en términos del número de estados posibles [W] que podría ocupar dicho movimiento, siendo k la constante de Boltzmann.

Al año siguiente, 1876, el ingeniero químico Willard Gibbs publicó un oscuro trabajo de 300 páginas titulado: On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, en el que formuló una gran igualdad, la ecuación de la energía libre de Gibbs, que sugería una medida de la cantidad de «trabajo útil» alcanzable en los sistemas en reacción.

Gibbs también originó el concepto que hoy conocemos como entalpía H, llamándola «función de calor para una presión constante». La palabra moderna entalpía sería acuñada muchos años después por Heike Kamerlingh Onnes, que la basó en la palabra griega enthalpein que significa calentar.

Partiendo de estos fundamentos, personas como Lars Onsager, Erwin Schrödinger e Ilya Prigogine, entre otros, contribuyeron a introducir estos «conceptos» de motor en el ámbito de casi todas las ramas de la ciencia moderna.

Para más información History of Thermodynamics

Artículos en esta serie

1. Historia de la termodinámica (I)
2. Historia de la termodinámica (II)
3. Historia de la termodinámica (III)
4. Historia de la termodinámica (IV)
5. Historia de la termodinámica (V)

• Superácidos
• Escribiendo con la tabla periódica
• Historia de los fullerenos
• Robert Boyle