Historia de la termodinámica (IV)

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La teoría cinética revolucionó tanto a la termodinámica cómo a la química, dando una explicación sobre como se producen las reacciones químicas y su relación con la energía y la temperatura.

Teoría cinética

La teoría cinética de los gases es un modelo clásico sencillo e históricamente significativo del comportamiento termodinámico de los gases, con el que se establecieron muchos conceptos principales de la termodinámica.

El modelo describe un gas como un gran número de partículas submicroscópicas idénticas (átomos o moléculas), todas ellas en constante y rápido movimiento aleatorio. Se supone que su tamaño es mucho menor que la distancia media entre las partículas. Las partículas sufren colisiones elásticas aleatorias entre ellas y con las paredes del contenedor. La versión básica del modelo describe el gas ideal y no considera ninguna otra interacción entre las partículas.

La teoría cinética de los gases explica las propiedades macroscópicas de los gases, como el volumen, la presión y la temperatura, así como las propiedades de transporte, como la viscosidad, la conductividad térmica y la difusividad de la masa. El modelo también da cuenta de fenómenos relacionados, como el movimiento browniano.

Históricamente, la teoría cinética de los gases fue el primer ejercicio explícito de las ideas de la mecánica estadística.


Calor y movimiento

La idea de que el calor es una forma de movimiento es tal vez muy antigua, y ciertamente fue discutida por Francis Bacon en 1620 en su Novum Organum. La primera reflexión científica escrita sobre la naturaleza microscópica del calor se encuentra probablemente en una obra de Mikhail Lomonosov, en la que escribió:

«(..) no se debe negar el movimiento por el hecho de que no se vea. ¿Quién podría negar que las hojas de los árboles se mueven cuando las agita el viento, a pesar de que no se puede observar desde grandes distancias? Al igual que en este caso el movimiento permanece oculto debido a la perspectiva, en los cuerpos calientes permanece oculto debido a los tamaños extremadamente pequeños de las partículas en movimiento. En ambos casos, el ángulo de visión es tan pequeño que no se ve ni el objeto ni su movimiento.”

En los mismos años, Daniel Bernoulli publicó su libro Hidrodinámica (1738), en el que dedujo una ecuación para la presión de un gas considerando las colisiones de sus átomos con las paredes de un recipiente. Demostró que esta presión es dos tercios de la energía cinética media del gas en una unidad de volumen.


Portada de Hydrodynamica (1738), por Daniel Bernoull
Portada de Hydrodynamica (1738), por Daniel Bernoull

Las ideas de Bernoulli, sin embargo, tuvieron poco impacto en la cultura calórica dominante. Bernoulli estableció una conexión con el principio de vis viva de Gottfried Leibniz, una formulación temprana del principio de conservación de la energía, y ambas teorías quedaron íntimamente entrelazadas a lo largo de su historia. Aunque Benjamin Thompson sugirió que el calor era una forma de movimiento como resultado de sus experimentos en 1798, no se hizo ningún intento de reconciliar los enfoques teóricos y experimentales, y es poco probable que estuviera pensando en el principio de vis viva.

Teoría cinética moderna

Posteriormente, John Herapath formuló de forma independiente una teoría cinética en 1820, pero asoció erróneamente la temperatura con el momento y no con la vis viva o la energía cinética. Su trabajo no fue evaluado por sus colegas y fue ignorado. John James Waterston, en 1843, proporcionó una explicación bastante precisa, de nuevo de forma independiente, pero su trabajo tuvo la misma acogida, no superando la revisión por pares incluso de alguien tan bien dispuesto al principio cinético como Davy.

Los avances en la teoría cinética no comenzaron hasta mediados del siglo XIX, con los trabajos de Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann. En su obra de 1857 Sobre la naturaleza del movimiento llamado calor, Clausius afirma por primera vez con claridad que el calor es la energía cinética media de las moléculas.


Esto interesó a Maxwell, que en 1859 derivó la distribución del momento que más tarde llevaría su nombre. Posteriormente, Boltzmann generalizó su distribución para el caso de los gases en campos externos.

James Clerk Maxwell, Matemático y científico escocés
James Clerk Maxwell, Matemático y científico escocés

Boltzmann es quizás el más importante contribuyente a la teoría cinética, ya que introdujo muchos de los conceptos fundamentales de la teoría. Además de la mencionada distribución Maxwell-Boltzmann, también asoció la energía cinética de las partículas con sus grados de libertad.

La ecuación de Boltzmann para la función de distribución de un gas en estados de no equilibrio sigue siendo la ecuación más eficaz para estudiar los fenómenos de transporte en gases y metales. Al introducir el concepto de probabilidad termodinámica como el número de microestados correspondientes al macroestado actual, demostró que su logaritmo es proporcional a la entropía.


Para más información The Kinetic Molecular Theory of Matter

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