por Ricardo Meneses 4 anos atrás
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En 1.717 Daniel Gabriel Farenheit, un holandés fabricante de instrumentos técnicos, introdujo como puntos fijos el de fusión del hielo, asignándole el valor 32, y la temperatura ebullición del agua, asignándole el valor 212 y dividiendo en 180 partes iguales esta escala, que es utilizada por los países anglosajones hasta nuestros días.
En 1.740, Anders Celsius propuso los puntos de fusión y ebullición del agua al nivel del mar como puntos fijos y su división en 100 grados. Asignó el 100 al punto de fusión del hielo y el 0 al de vapor, aunque posteriormente se cambió el orden. Esta escala se llamó centígrada y ha perdurado hasta 1.967.
En 1.926, Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar movimiento que un vapor de agua producía sobre una rueda. No se sabe si esta máquina se construyó pero está claro que es el primer antecedente de las actuales turbinas de vapor.
En 1.960, Denis Papin fue el primero que tuvo la idea de que un pistón podía moverse dentro de un cilindro aunque no pudo llevarse a cabo hasta que Thomas Mewcomen consiguió mover el pistón dentro de un cilindro mediante la presión atmosférica gracias al vacío creado por la condensación de un vapor de agua. Con la máquina de Newcomen comienza la historia de las máquinas térmicas.
Esta máquina fue construida en 1.712 y funcionó hasta 1.770 en que fue superada por la máquina de James Watt.
En 1.968, Thomas Savery patenta la primera máquina con la que se obtiene trabajo a partir de un vapor de agua. La máquina fue utilizada para elevar agua desde el fondo de las minas. Consistía en un cilindro conectado mediante una tubería a la fuente de agua a extraer; el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba y se enfriaba. Cuando el vapor se enfriaba mediante un chorro de agua fría, se producía un vacío que permitía el ascenso de agua. El vapor era suministrado por un horno que disponía de dos calderas, una para calentar el agua y otra para producir el vapor. En realidad, la bomba de Savery no era una máquina propiamente dicha pues no tenía partes móviles.
En 1.763, Watt se sorprendió al ver el enorme desperdicio de vapor que se daba en la máquina de Newcomen y demostró con medidas experimentales que sólo usaba el 33 % del vapor consumido para realizar un trabajo útil.
Joseph Black (1728-1799) fue el primer científico que intentó determinar la naturaleza del calor. Black distinguía entre calor (cantidad de energía) y temperatura (nivel térmico). Posteriormente se admitió que todos los cuerpos en las mismas condiciones de calor y frío, deberían tener la misma temperatura. Black observó, también, que cuando una sustancia cambia de estado desaparece una cierta cantidad de calor y reaparece cuando se produce el cambio de estado opuesto. Este calor fue denominado calor latente.
En el siglo XVIII se desarrolló la teoría del “calórico”. El calórico se definía como un fluido, por comparación con los fenómenos mecánicos. Los postulados de esta teoría eran: Aunque ya en 1.774 Lomonosov rechazaba la teoría del “calórico” y atribuía el calor al movimiento microscópico de las moléculas, esta teoría persistió hasta mediados del siglo XIX, a pesar de la gran cantidad de pruebas que había de lo contrario.
Conde de Rumford, estableció la idea de que la energía calorífica podría resultar de un movimiento mecánico. En 1.789, Rumford se dio cuenta de que el concepto de calórico era irreconciliable con el hecho de que las limaduras producidas al tornear un cañón, tuviesen una temperatura superior a la primitiva.
En 1.799, Sir Humphry Davy, conocido por su invención de la lámpara de seguridad para los mineros, estudió la conversión del trabajo en calor raspando el hielo. El concepto de calórico tampoco explicaba la experiencia de Davy que fundía dos trozos de hielo frotándolos entre sí.
En 1.808 resurge la teoría atómica de la materia gracias a Dalton y Proust que enunciaron sus famosas
En 1.822, el matemático y físico francés Joseph Fourier publica su única obra: “La théorie analytique de la chaleur” donde, además de sentar las bases del análisis espectral y contribuir al cálculo infinitesimal y a los desarrollos en serie, formulaba toda la teoría de la transmisión del calor por conducción, prácticamente tal como hoy se conoce.
suele tomarse en 1.824, cuando Carnot publica su obra sobre la potencia motriz del fuego (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a développer cette puissance). Por fin, en 1.842, se desechó definitivamente el modelo del calórico, gracias a los experimentos de Julius Robert von Mayer y James Prescott Joule.
Las ideas de Joule fueron desarrolladas por Helmholtz (1.847) formulando el principio de la conservación de la energía independientemente de Mayer. Sin embargo, la idea de disipación como pérdida de energía mecánica útil es anterior a la idea de conservación. La idea de que se pierde trabajo siempre que se deja que el calor pase de un cuerpo caliente a un cuerpo frío fue expuesta por Sadi Carnot en 1.824.
En esa época Kelvin no abandona todavía la hipótesis del calórico pues, no se da cuenta de que la idea de Carnot sobre la relación entre calor, trabajo y temperatura es independiente del concepto de calórico. Basándose en el ciclo de Carnot, definió una escala de temperaturas absolutas (1.848). La solución al problema de la disipación de la energía no llegó hasta que Rudolf Clausius se dio cuenta de que lo principal de la teoría de Carnot era compatible con el axioma de la interconvertibilidad del calor en trabajo. Clausius posiblemente fue el primero en darse cuenta de la existencia de dos principios básicos: el Primero y el Segundo Principio de la Termodinámica. Además introdujo el concepto que ahora llamamos Energía Interna.
En 1.856, G. A. Hirn comprobó que el calor cedido por una máquina térmica al condensador era menor que el absorbido de la caldera.
En 1.852 Ericson inventó el intercambiador de calor de tubos y, posteriormente un motor de aire, que lleva su mismo nombre, para propulsión de buques.
aunque es el libro de Clausius de 1.864 donde aparece por primera vez una formulación completa. El segundo principio de la termodinámica nace de la publicación de Sadi Carnot en la que trata de explicar cómo el calor produce trabajo en las máquinas: la producción de trabajo se debe al paso de calor desde una temperatura elevada (caldera) a otra más baja (refrigerante).
1.860, J. C. Maxwell y Ludwig Boltzmann demostraron independientemente que la energía cinética de un gas estaba directamente relacionada con la temperatura de sus moléculas. Posteriormente, Maxwell (1.871) y Boltzmann (1.870) calculan la distribución estadística de la energía de un gas ideal, abriendo paso a la teoría cinética y a la mecánica estadística.
En 1.880, Helmholtz introdujo el concepto de energía libre, independientemente de J. W. Gibbs. Se puede resumir este periodo en dos ideas básicas: en el siglo XVIII los físicos estudiaban las propiedades de la materia y los ingenieros la mejora del rendimiento de las máquinas de vapor. Posteriormente en el siglo XIX los logros de los físicos se resumieron en la igualdad de Joule, mientras que los ingenieros llegaron a la desigualdad de Clausius.
El primer vehículo motorizado (de tres ruedas) se debe a Karl Benz en 1.886, con un motor de gasolina de cuatro tiempos. Paralelamente a él trabajaba Gottlieb Daimler y en ese mismo año construyó un vehículo de cuatro ruedas. En 1.893, Rudolf Diesel publicó la teoría de un motor de su invención en el que se aumentaba la compresión lo suficiente para incendiar el combustible inyectado al final de la compresión.
Unos años más tarde, Parsons y De Laval desarrollaron la turbina de vapor y en 1.897 se bota el Turbinia, primer buque con turbina de vapor. Historia de la Termodinámica Primitiva turbina de Parsons Charles Parsons Turbinia, primer buque con turbina de vapor Turbina de De Laval La primera central de generación de energía eléctrica la construyó Edison en Nueva York en 1.882, funcionando con carbón y una máquina de vapor, proporcionando luz a 11.000 lámparas de filamento de carbón, dando fin a la producción de iluminación no eléctrica. Réplica de la primera Bombilla (1890)Thomas Alba Edison
Ya en nuestro siglo, 1.901 es una fecha especialmente señalada en la historia de la Termodinámica. Por una parte, Gibbs incorpora la Mecánica Estadística como soporte básico de toda la teoría termodinámica, y por otra, nace la Física Cuántica gracias a Planck. Mecánica Cuántica y Mecánica Estadística has servido para dar a la termodinámica una base teórica rigurosa, que relaciona el mundo macroscópico con el microscópico.
En 1.906, Walter Hermann Nernst enuncia el llamado Tercer Principio, que en realidad no es más que una consecuencia de la entropía estadística de Boltzmann.
En 1.908, Perrin calcula el tamaño real de los átomos aplicando la teoría de las fluctuaciones.
En 1.915, Kamerlingh Onnes introduce el término entalpía y había conseguido licuar el Helio.
En 1.927 Haldane construye una máquina frigorífica que había sido diseñada por Kelvin.
o de los Procesos Irreversibles, iniciada ya por Kelvin con el estudio de los fenómenos termoeléctricos, adquiere una estructura formal con los trabajos de Onsager en 1.931.
Uno de los desarrollos más espectaculares en este período ha sido el de la ciencia de la combustión con aportaciones de Kárman, Damköhler y otros.
(1.873 a 1.950) que ya en 1.905 presentó su formulación axiomática. Su teoría es una formulación matemática de los resultados de Clausius y Kelvin. Historia de la Termodinámica Constantin Carathéodory Conclusiones Actualmente, la Termodinámica es una ciencia bien desarrollada que nos permite resolver gran cantidad y variedad de problemas, aunque, inicialmente, la aplicación tecnológica de una parte importante de las consecuencias de la Termodinámica fue muy lenta
Las causas de esta lentitud en su aplicación pueden ser muchas, pero, existen dos problemas iniciales en el estudio de la Termodinámica: Por una parte la dificultad de comprensión del concepto de entropía y su posterior aplicación y, por otra, el hecho de que la expresión matemática del Segundo Principio sea una desigualdad, a diferencia de lo que ocurre en la práctica totalidad de las leyes fundamentales de las restantes ramas de la ciencia física. A finales del siglo pasado el concepto de máximo trabajo útil y de trabajo perdido por irreversibilidades ha comenzado a emplearse de manera sistemática introduciéndose, incluso, un término para designarlo, el de exergía y definiéndose el concepto de rendimiento en base a la exergía, que permiten comparar diferentes procesos teniendo en cuenta simultáneamente el Primer y Segundo Principios.
Esto se ha debido a la importancia que los criterios de optimización han ido cobrando en el diseño de los más variados procesos: criterios que acentúan el aspecto cuantitativo del problema (balances de masa y energía) por un lado, y otros que acentúan el aspecto cualitativo (aprovechamiento más racional de la energía, reduciendo al límite las pérdidas).
El último tercio del siglo XIX se realizan grandes descubrimientos y se plantean muchas teorías: en 1.860 Guldberg y Waag enuncian la ley de acción de masas; en 1.869, Andrews descubre el estado crítico líquido-vapor y Mayer y Mendeleiev introducen la tabla periódica de los elementos, que da auge a la teoría atómica. En 1.875 publica Gibbs su “teoría del equilibrio de sistemas heterogéneos y reactantes” e introduce los potenciales termodinámicos energéticos. Historia de la Termodinámica Dmitri Mendeleyev C. M. Guldberg y Peter Waag Primitivo motor Otto de cuatro tiempos Nicolaus August Otto Julius Robert Mayer En 1.876, Otto construye su primer motor de explosión y lo presenta en la exposición de Paris de 1.878, ignorando que ya en 1.862 lo había patentado A. Beau de Rochas. En 1.876 Geroge Baily Brayton comercializó el primer motor de combustión interna en régimen continuo.
Clausius añadió que el calor cedido al refrigerante tiene que ser menor que el tomado de la caldera, siendo la diferencia la que se convierte en trabajo. El enunciado analítico implica la introducción de una variable de estado, llamada Entropía, S. Clausius enunció los Principios en los siguientes términos: Historia de la Termodinámica 1º) La energía del universo es constante. 2º) La entropía del universo tiende hacia un máximo.
El primer libro de texto de Termodinámica lo escribió Rankine en 1.859, aunque es el libro de Clausius de 1.864 donde aparece por primera vez una formulación completa. Calculó, también, el trabajo perdido por irreversibilidades en un proceso cíclico, llegando a la conclusión de que éste era igual al producto de la mínima temperatura durante el ciclo (temperatura del foco frío) por lo que él llamaba “valor de la transformación no compensada”
Posteriormente Kelvin desarrolló las principales consecuencias de la teoría, estableciendo la conservación de la energía: “hay en tales fenómenos conservación de la energía, y, al mismo tiempo, hay desaprovechamiento absoluto de energía mecánica utilizable por el hombre” (On a universal tendency in nature to the dissipation of mechanical energy). A tales fenómenos aplicó el término de disipación de la energía. Fue el primero en calcular correctamente el máximo trabajo útil que se puede obtener de un cuerpo que no esté en equilibrio térmico.
Los trabajos de Carnot permitieron a Clapeyron en 1.834 deducir la ley de las transformaciones de fase de sustancias puras; fue él también el primero en deducir la ecuación de estado de los gases ideales a partir de la ecuación de Boyle y la de Gay- Lussac. William Thomson, Lord Kelvin (1.848) aceptó la teoría del calórico en los procesos cíclicos de las máquinas térmicas, de S. Carnot: “Observemos aquí que el calor entra en la máquina procedente del hogar, a través de las paredes de la caldera, y que es extraído continuamente por el agua empleada para mantener frío el condensador.
De acuerdo con el Principio de Carnot, la cantidad de calor así descargada debe ser exactamente igual a la que entra al agua en la caldera”. También afirmó que: “El Principio de Carnot es aceptado como axioma de manera tan general, que su aplicación a este caso, por lo menos dentro de los límites de mi información, no ha sido puesta en duda por los ingenieros prácticos”
El primero postuló el Principio de la conservación de la energía (1.842) y el segundo estableció la equivalencia del calor y del trabajo. Calculó el equivalente mecánico del calor, midiendo la cantidad de trabajo que era preciso realizar por un dispositivo mecánico para producir determinada cantidad de energía calorífica (1.843-1.848).
La Termodinámica como ciencia. Segunda mitad del siglo XIX Historia de la Termodinámica John Dalton Joseph Louis Proust Facsimil de su libro Joseph Fourier El origen de la Termodinámica como ciencia surge debido a los problemas que había con la transformación recíproca de calor y trabajo, especialmente a partir del empleo de las máquinas de vapor a finales del siglo XVIII.
Leyes
3) si dos sustancias se combinan en varias proporciones, existe entre ellas una relación sencilla de multiplicidad
2) las proporciones en que se combinan las sustancias son definidas
1) la masa se conserva en las reacciones químicas
Benjamín Thompson escribió: “Estaba encargado, como superintendente, del taladro de los cañones en la fábrica del Arsenal militar de Munich y me sorprendí al comprobar el considerable grado de calor que en muy poco tiempo adquiere una pieza de latón cuando es perforada; y por el calor, aún mas intenso (mucho mayor que el del agua hirviendo, como comprobé por la experiencia) de las virutas metálicas procedentes de la perforación; cuanto más pensaba en estos fenómenos, más claro veía que se trataba de un fenómeno sumamente interesante.
Una investigación completa del mismo parecía ofrecernos la oportunidad de iluminarnos sobre la naturaleza misteriosa del calor y para llegar a alguna conclusión aceptable respecto a la existencia o no existencia de un fluido calorífico (calor), materia sobre la cual han estado muy divididas las opiniones de los filósofos durante todos los tiempos”.
Pruebas
5) el calórico pesa, como explica el aumento de peso de ciertos metales al ser calcinados en presencia de aire (posteriormente se eliminó este postulado)
4) el calórico puede ser sensible o combinarse con la materia, como ocurre en los cambios de fase
3) el calórico se conserva en cualquier transformación, como demuestra la calorimetría
2) la atracción del calórico por la materia depende de cada sustancia y de su estado térmico, como lo muestra la variación de la capacidad calorífica
1) el calórico es un fluido elástico cuyas partículas se repelen, por lo que los cuerpos se dilatan al recibir calor
Tanto en el caso de la fusión como el de la vaporización la cantidad de calor absorbida por el cuerpo no se utiliza para elevar la temperatura, sino para efectuar los cambios del estado sólido al líquido, en el primer caso, y del líquido al gaseoso, en el segundo. Recíprocamente, cuando se enfría un líquido, la condensación y la solidificación se verifican a la misma temperatura a que ocurre el proceso opuesto. Black realizaba sus experimentos a presión constante cuando trabajaba con líquidos y a volumen constante cuando lo hacía con gases, por lo que el trabajo intercambiado con el exterior era despreciable, dando origen a la creencia de que el calor se conservaba en los procesos térmicos.
Seis años después, Watt patentó su máquina de vapor que superaba a la de Newcomen en la velocidad del pistón y en su menor consumo de combustible, entre otras cosas, logrando una importante mejora en su potencia útil. La máquina de Watt incorporaba un autoregulador de velocidad denominado regulador de bolas, actualmente símbolo de la Ingeniería Industrial.
En el congreso de la IPTS’48 se adoptó la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y la escala Celsius desplazada 273,15 K respecto a la absoluta. Al mismo tiempo se empezaron a estudiar los fenómenos de la energía térmica que llevaron a la invención de la primera máquina de vapor.
Posteriormente se descubrió la bomba de vacío y se comprobó que la atmósfera ejerce una presión tremenda. Esto fue demostrado por Otto Von Guericke, mediante la experiencia de los hemisferios de Magdeburgo. Una vez extraído gran parte del aire en su interior, dos equipos de ocho caballos cada uno tirando en sentidos opuestos, no podían separarlos.
a mediados del siglo XVII, tuvo en cuenta la teoría de Demócrito sobre la naturaleza atómica de la materia e investigó la compresibilidad del aire comprobando que, cuando la presión que sobre éste se ejercía, se duplicaba, el volumen que ocupaba la misma masa de aire se reducía a la mitad. También descubrió que, cuando desaparecía el aumento de presión, la masa gaseosa ocupaba de nuevo el volumen primitivo.
El concepto más elemental en Termodinámica es el de temperatura. Aunque los sabios griegos estudiaron los fenómenos térmicos, es tradicional asociar el comienzo de la Termodinámica con el primer termómetro (termoscopio), atribuido a Galileo Galilei. Las sustancias se dilatan con el calor y se contraen con el frío.
Galileo Galilei, es considerado como símbolo de las ciencias modernas por su insistencia en la importancia de la experimentación, y porque parece ser que fue el primero en utilizar el concepto de energía.
Galileo intentó aprovechar tal hecho para observar los cambios de temperatura. En 1603 invirtió un tubo de aire caliente sobre una vasija de agua. Cuando el aire en el tubo se enfrió hasta igualar la temperatura de la habitación dejó subir el agua por el tubo, y de este modo consiguió Galileo su «termómetro» (del griego thermes y metron, «medida del calor»). Cuando variaba la temperatura del aposento cambiaba también el nivel de agua en el tubo. Si se caldeaba la habitación, el aire en el tubo se dilataba y empujaba el agua hacia abajo; si se la enfriaba, el aire se contraía y el nivel del agua ascendía.
Los primeros termómetros fueron fundamentales en Meteorología y en Medicina, pero las escalas eran tan arbitrarias que era imposible cualquier comparación.
fue que aquella vasija de agua donde se había insertado el tubo, estaba abierta al aire libre y la presión de éste era variable. Ello producía ascensos y descensos de la superficie líquida, es decir, variaciones ajenas a la temperatura, que alteraban los resultados
El Renacimiento marcó el final de la edad oscura. Hacia mediados del siglo XV la invención de la imprenta hizo posible la difusión para todos de las ideas y conocimientos.
