Historia de la termodinámica (V)

Actualizado en agosto 24, 2022

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Las leyes de la termodinámica crearon un marco de referencia para los fenómenos macroscópicos de transferencia de calor y energía y la termodinámica cuántica expandió el panorama a los campos microscópicos

Entropía, segunda ley y termodinámica cuántica

El concepto de entropía se desarrolló en respuesta a la observación de que una cierta cantidad de energía funcional liberada en las reacciones de combustión se pierde siempre por disipación o fricción y, por tanto, no se transforma en trabajo útil.

Los primeros motores térmicos, como el de Thomas Savery (1698), el motor de Newcomen (1712) y el triciclo de vapor de Cugnot (1769), eran ineficaces, ya que convertían menos del dos por ciento de la energía de entrada en trabajo útil; una gran cantidad de energía útil se disipaba o se perdía. Durante los dos siglos siguientes, los físicos investigaron este rompecabezas de la energía perdida; el resultado fue el concepto de entropía.

Aunque trabajaba con la teoría del calor, Sadi Carnot sugirió en 1824 que parte del calor disponible para generar trabajo útil se pierde en cualquier proceso real. En marzo de 1851, mientras se esforzaba por aceptar los trabajos de James Prescott Joule, Lord Kelvin empezó a especular que en todos los procesos había una pérdida inevitable de calor útil. En 1854, Hermann von Helmholtz formuló esta idea de forma aún más dramática, dando lugar al espectro de la muerte por calor del universo.

En 1854, William John Macquorn Rankine empezó a utilizar en los cálculos lo que llamó su función termodinámica. Posteriormente se ha demostrado que ésta es idéntica al concepto de entropía formulado por Rudolf Clausius en 1865. Clausius utilizó el concepto para desarrollar su clásico enunciado de la segunda ley de la termodinámica ese mismo año.

Transferencia de calor

El fenómeno de la conducción del calor se capta inmediatamente en la vida cotidiana. En 1701, Sir Isaac Newton publicó su ley del enfriamiento. Sin embargo, en el siglo XVII se llegó a creer que todos los materiales tenían una conductividad idéntica y que las diferencias de sensación se debían a sus diferentes capacidades térmicas.

La nueva ciencia de la electricidad, que puso de manifiesto que algunos materiales eran buenos conductores de la electricidad mientras que otros eran eficaces aislantes, sugirió que esto no era así. Jan Ingen-Housz realizó en 1785-9 algunas de las primeras mediciones, al igual que Benjamin Thompson durante el mismo periodo.

El hecho de que el aire caliente ascienda y la importancia del fenómeno para la meteorología fueron advertidos por primera vez por Edmund Halley en 1686. Sir John Leslie observó que el efecto de enfriamiento de una corriente de aire aumentaba con su velocidad, en 1804.

Carl Wilhelm Scheele distinguió la transferencia de calor por radiación térmica (calor radiante) de la de convección y conducción en 1777. En 1791, Pierre Prévost demostró que todos los cuerpos irradian calor, independientemente de su temperatura. En 1804, Leslie observó que una superficie negra mate irradia calor con más eficacia que una superficie pulida, lo que sugiere la importancia de la radiación de los cuerpos negros. Aunque ya se sospechaba desde los trabajos de Scheele, en 1831 Macedonio Melloni demostró que la radiación de los cuerpos negros podía reflejarse, refractarse y polarizarse del mismo modo que la luz.

La idea de James Clerk Maxwell, en 1862, de que tanto la luz como el calor radiante eran formas de onda electromagnética, permitió iniciar el análisis cuantitativo de la radiación térmica. En 1879, Jožef Stefan observó que el flujo radiante total de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura y estableció la ley de Stefan-Boltzmann. La ley fue derivada teóricamente por Ludwig Boltzmann en 1884.

Termodinámica cuántica

La termodinámica cuántica es el estudio de las relaciones entre dos teorías físicas independientes: la termodinámica y la mecánica cuántica. Las dos teorías independientes se ocupan de los fenómenos físicos de la luz y la materia.

En 1905, Albert Einstein argumentó que el requisito de coherencia entre la termodinámica y el electromagnetismo lleva a la conclusión de que la luz está cuantizada obteniendo la relación

E = h ν {\displaystyle E=h\nu } E=h\nu .

Este trabajo es el inicio de la teoría cuántica. En pocas décadas la teoría cuántica se estableció con un conjunto de reglas independientes. Actualmente la termodinámica cuántica se ocupa de la aparición de leyes termodinámicas a partir de la mecánica cuántica. Se diferencia de la mecánica estadística cuántica por el énfasis en los procesos dinámicos fuera del equilibrio. Además, se busca que la teoría sea relevante para un único sistema cuántico individual.

A principios de la década de 1850, Rudolf Clausius expuso el concepto de sistema termodinámico y planteó el argumento de que en cualquier proceso irreversible se disipa de forma incremental una pequeña cantidad de energía térmica δQ a través de la frontera del sistema. Clausius siguió desarrollando sus ideas sobre la pérdida de energía y acuñó el término entropía.

En 1900, Max Planck encontró una fórmula precisa para el espectro de la radiación del cuerpo negro. El ajuste de los nuevos datos requirió la introducción de una nueva constante, conocida como la constante de Planck, la constante fundamental de la física moderna.

Al considerar la radiación como procedente de un oscilador de cavidad en equilibrio térmico, la fórmula sugería que la energía en una cavidad sólo se produce en múltiplos de frecuencia por la constante. Es decir, está cuantizada. Así se evitaba la divergencia a la que conduciría la teoría sin la cuantificación.

Desde mediados del siglo XX, el concepto de entropía ha encontrado aplicación en el campo de la teoría de la información, describiendo una pérdida análoga de datos en los sistemas de transmisión de información.

En 2019, la noción se aprovechó como «entropía relativa del haz» para una caracterización de un solo parámetro de la aleatoriedad del espacio del haz de los canales MIMO dispersos 5G/6G, por ejemplo, los canales celulares 3GPP 5G, en bandas de ondas milimétricas y teraHertz.

Para más información Introduction to Quantum Thermodynamics: History and Prospects

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)

• Entropía y energía libre de mezclas
• Pérdidas en la cristalización
• Evitando las cámaras infrarrojas – The Thomas Crown affair
• Propiedades coligativas – descenso del punto crioscópico