Download Diapositiva 1

Conferencia 11
Revolución en la química del Siglo XVIII
Fundamentos de la termodinámica
La Dinámica de los Fluidos recibe un poderoso impulso con las aportaciones
del más notable representante de la destacada familia Bernoulli, Daniel (1700
– 1782). La ecuación de Bernoulli presentada por primera vez en su
Hydrodinámica cubre un amplio abanico de aplicaciones en esta disciplina. Es
considerado además el primero que desarrolla una teoría cinética de los gases
y lo hace sobre conceptos atomísticos y probabilísticos. Toda la estructura de
la Hidrodinámica, en la que se investiga una cantidad increíble de problemas
de suma importancia teórico-práctica, esta concebida con tal maestría que
junto a la certeza de los cálculos, se aprecia la coherencia, entre las diferentes
variaciones de un tema central, que se conoce hoy como ecuación de Bernoulli.
La energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido
en cualquier momento consta de tres componentes:
1.- Cinético: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.
2.- Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.
3.- Potencial Presion: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee
La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" (Trinomio de Bernouilli) consta de estos
mismos términos.
donde:
v = velocidad del fluido en la sección
considerada.
g = aceleración gravitatoria
y = altura geométrica en la dirección de la
gravedad
P = presión a lo largo de la línea de corriente
ρ = densidad del fluido
A fines del siglo XVIII, el método analítico cualitativo y cuantitativo comenzaba a rendir
sus frutos. El descubrimiento de diferentes elementos químicos, y nuevos compuestos hacía
imprescindible la búsqueda de la composición. La teoría del flogisto y las ideas sobre la
afinidad química, aunque erróneas, dominaban la mente de los químicos, pero las
inconsistencias experimentales, cada vez más numerosas, entraban en franca contradicción
con el saber establecido. Las condiciones habían madurado para el surgimiento de una
nueva hipótesis que permitiera la explicación de los fenómenos químicos, en especial el de la
combustión. Esta fue la obra de Lavoisier.
Se ha atribuido a la figura de este científico francés la autoría absoluta de la primera
revolución científica ocurrida en la Química. No obstante, éste fue un lento proceso que se
inició con Robert Boyle en 1660, y que no concluye hasta el establecimiento absoluto de la
teoría atómica en 1803. Lavoisier es una figura central en este proceso. Fue una mente
brillante, capaz de romper las ataduras flogísticas y colocar cada hecho en su justo lugar
Una revolución científica, no es sólo el derrumbe y rechazo de las viejas concepciones que
dominan en una disciplina dada, y su remplazo por nuevas hipótesis de mayor carácter
explicativo. Significa también reconsiderar, a la luz del nuevo paradigma, todos los
principios, leyes y teorías vigentes. Otra característica de una revolución científico natural,
es que los nuevos conocimientos deben tener un carácter metodológico, lo que implica una
ruptura en el método de investigación y en el sistema lógico del pensamiento naturalista.
Producto de la revolución científica se produce entonces una ampliación del saber acerca de
la naturaleza en aspectos de la realidad que hasta ese momento habían sido inaccesibles
para los científicos. Todos estos aspectos se dan en la Química en su tránsito del empirismo
al establecimiento de su primer sistema conceptual, gracias al método analítico.
Robert Boyle (25 de enero de 1627 - Londres, 30 de diciembre de 1691)
físico y químico inglés, fue una de las principales figures que
participaron en la emergencia de la ciencia moderna. El interés en este
químico y naturalista angloirlandés se ha intensificado en los últimos
años, debido a sus experimentos pioneros acerca de las propiedades de
los gases y su visión corpuscular de la materia, base de teorías
modernas sobre los elementos químicos .
En 1657, leyendo acerca de la bomba de aire de Otto von Guericke, se propuso con la ayuda
de Robert Hooke desarrollar mejoras en su construcción, que dieron por resultado la
máquina Boyleana o máquina neumática finalizada en 1659 y con la que comenzó una serie
de experimentos acerca de las propiedades del aire En 1660, publicó una relación de los
trabajos realizados con ese instrumento con el título New Experiments PhysicoMechanical
touching the spring of air and its effects (Nuevos experimentos físico-mecánicos sobre la
elasticidad del aire y sus efectos).
Boyle fue el iniciador de las investigaciones respecto a los cambios en el volumen de un gas
como consecuencia de las variaciones en la presión aplicada; él fue el primer químico que
aisló un gas.
En el campo de la química, Boyle observó que el aire se consume en el proceso de
combustión y que los metales ganan peso cuando se oxidan. Reconoció la diferencia entre
un compuesto y una mezcla, y formuló su teoría atómica de la materia basándose en sus
experimentos de laboratorio.
La Ley de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle, como se la conoce a veces), formulada por
Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el
volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante, y
dice que el volumen es inversamente proporcional a la presión: donde es constante si la
temperatura y la masa del gas permanecen constantes.
Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, mientras que si la presión disminuye el
volumen aumenta. El valor exacto de la constante k no es necesario conocerlo para poder
hacer uso de la Ley; si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante
la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación:
La idea de que el calor era una
forma de movimiento de la
sustancia ya había sido esbozada
en el siglo anterior, primero por
Galilei y sus discípulos y en la
segunda mitad de la centuria por
Robert Boyle y Robert Hooke.
Las nociones elaboradas por el
sabio ruso Mijail Lomonosov
(1711 – 1765) sobre el calor se
inscriben en el desarrollo del
atomismo que desde el siglo
anterior
lo relaciona con el
movimiento
corpuscular.
Lomonosov comparte y critica la
obra de Boyle, sosteniendo que la
ley del irlandés sobre los gases
debe sufrir una desviación
notable para la región de las altas
presiones debido al volumen
ocupado por los átomos.
William Cullen (1710-1790),
primer profesor de Química
en Escocia y descubridor del
efecto
de
refrigeración
producido por la evaporación
de los líquidos, se considera ,
el
introductor
de
la
enseñanza de la química
moderna
en
las
islas
británicas
La interpretación de los experimentos de Fahrenheit y Boerhaave
al estudiar el intercambio de calor entre iguales masas de agua y
mercurio puestas en contacto a diferentes temperaturas. En
donde se observo que la temperatura final no es en el promedio
aritmético de las temperaturas iniciales se debe al médico y físico
químico escocés Joseph Black (1728 – 1799) .
Black admitió como correcta la hipótesis de que la sustancia
termógena cedida por la sustancia caliente era obtenida por la
sustancia fría, pero estas cantidades de calor iguales varían de
distinta forma la temperatura de iguales masas de agua y
mercurio..
El agua y el mercurio, según el razonamiento de Black presentaban diferentes capacidades
para el calor. A él se debe también la introducción de los conceptos del calor específico y el
calor latente de vaporización de las sustancias.
La actividad del médico y físico-químico escocés, de origen francés, Joseph Black se centra en
dos polos del conocimiento físico químico. Por una parte asiste al nacimiento de la
Termodinámica y sus estudios, desde 1766 hasta 1796, en la cátedra de Química de la
Universidad de Edimburgo influyen en el instrumentista James Watt (1736-1819), quien en
1769 patenta la máquina de vapor que perfeccionaba el ingenio creado por Thomas
Newcomen (1663 – 1729) en 1725. De otro lado los descubrimientos de Black al investigar la
descomposición de la piedra caliza y las reacciones de combustión demuestran que “los
aires” tienen un comportamiento químico que puede ser estudiado, inaugurando una
época que conduce directamente a la llamada Revolución de la Química
Henry Cavendish, físico y químico británico (10 de octubre,
1731 - 24 de febrero, 1810 )
Cavendish, contemporáneo de Black, hizo contribuciones
relevantes al desarrollo inicial de la termodinámica. Aplica
nuevas técnicas cuantitativas para descifrar la interacción
del calor con las sustancias, midiendo calores de fusión y
evaporación de sólidos y líquidos. Es también Cavendish el
primero en descubrir la existencia de composiciones en las
disoluciones que ofrecen
temperaturas mínimas de
congelación.
En 1766, Cavendish presentó en la Royal Society su
informe sobre “Factitious Air” en el que describe las
propiedades sobresalientes del gas liberado durante la
reacción del ácido clorhídrico con algunos metales. Lanzó
la hipótesis de haber aislado el propio flogisto. Al hacerlo
se basó en dos de sus propiedades: era el gas más ligero de
los conocidos y presentaba una alta inflamabilidad. En
otros experimentos, haciendo saltar chispas eléctricas por
las mezclas de los nuevos aires descubre que la reacción
de su aire inflamable con el aire desflogisticado produce
agua, enterrando para siempre la visión milenaria del
agua como sustancia elemental y primigenia
En abril de 1774, Lavoisier repitió los experimentos
de Boyle con el objetivo de refutar la hipótesis de que
el incremento en peso de los metales durante la
calcinación se debía a la incorporación de partículas
de fuego, como había supuesto Boyle, demuestra que
el incremento en peso del metal calcinado era igual al
peso del aire extra que había penetrado dentro del
recipiente una vez abierto. Pensando en términos del
aire fijo o cualquier otro vapor ácido, Lavoisier
deduce que la reacción de calcinación era una
combinación del metal con la parte ácida del aire.
Con este resultado Lavoisier demuestra la Ley de
Conservación de la Masa en las reacciones química,
que ya había sido enunciada con anterioridad por
Lomonosov, pero cuyo crédito se le atribuye a
Lavoisier por la repercusión de sus trabajos.
Finalmente, en 1777, Lavoisier publica su teoría de la combustión, según la cual la
combustión y la calcinación, no eran más que reacciones de combinación de las sustancias
con el oxígeno. Asimismo, Lavoisier interpreta el aire fijo (CO2), como una combinación del
carbono y el oxígeno, por lo que la reducción de las cales con carbón, reacción que muchos
científicos conocían como el reverso de la calcinación y que el propio Lavoisier había
estudiado, no era más que la transferencia del oxígeno de la cal al carbón.
Los trabajos de Lavoisier en relación con la nueva Química, no se limitan a analizar el fenómeno de la
combustión, sino que sienta las bases para la interpretación de las reacciones de combinación,
descomposición e intercambio, y define el elemento químico como aquella sustancia que no puede se
producida ni descompuesta a partir de otras. Por supuesto, Lavosier es incapaz de establecer las
diferencias entre el concepto de elemento y el de sustancia simple, lo cual no fue posible hasta el
desarrollo de la teoría atómica.
Lavosier funda la termoquímica, al establecer la ley que lleva su nombre, y según la cual el calor
absorbido durante la descomposición de una sustancia es el mismo que el que se desprende en su
formación.
La búsqueda de la composición de los compuestos químicos hizo necesario establecer un sistema para
nombrar los compuestos atendiendo a ésta. No era posible seguir nombrado los compuestos de una
forma trivial. Lavoisier, conjuntamente con investigadores de la talla de Guyton de Moerveau., Claude
Berthollet y Antoine de Fourcroy, emprenden esta tarea, y en 1787 publican el libro Methode de
Nomenclature Chimique (Método de Nomenclatura Química). La sistematización de la nomenclatura
en función de la composición de los compuestos químicos tuvo una enorme repercusión en la forma de
pensar de los químicos, y fue rápidamente aceptada.
La obra de Lavoisier fue recogida en el texto Traité èlementaire de chimie, (Tratado Elemental de
Química) publicado en 1789
Metal + Ácido = Sal + aire inflamable
Cal + Ácido = Sal + agua
Una vez conocida la composición del
agua, Lavoisier puede explicar la
naturaleza de otras dos reacciones
químicas
En 1798, las ideas sobre la naturaleza
sustancial del calor son rechazadas
por los experimentos conducidos por
el
estadounidense
Benjamín
Thompson (1753 – 1814) que vienen
a demostrar su naturaleza cinética.
Thompson escribió: “todo aquello
que un cuerpo o sistema de cuerpos
aislados
pueda
continuar
suministrando sin limitación, no
puede, de manera alguna, ser una
sustancia material, y me parece
extremadamente difícil, si no
imposible, imaginar algo capaz de
producirse y comunicarse, como el
calor en esos experimentos, a no ser
el movimiento”.
Las ideas que prevalecieron en la comunidad científica de
la época se corresponden con una etapa del desarrollo de
las ciencias en que se introducen un conjunto de agentes
sustanciales como el flogisto, el éter, y el calórico. Estas
posiciones, un tanto ingenuas se basaban en el principio de
no introducir la acción a distancia para explicar los
fenómenos físicos al no disponer de conceptos y núcleos
teóricos acerca de los campos, de las múltiples formas de
energía, y de sus transformaciones de unas formas en
otras. No sería hasta mediados del próximo siglo XIX que
nuevos resultados experimentales permitieran la
edificación de un cuerpo teórico acerca del calor, como
energía en tránsito.
Joseph-Louis Proust (1754 - 1826)
Químico Francés
Escribió memorias sobre la composición de los
minerales y diversos compuestos, incluyendo las
sales orgánicas, así como una monografía sobre el
cobre y el estaño y numerosos trabajos analíticos.
Sus análisis fueron los mejores de su tiempo.
Estudió la naturaleza de distintos azúcares,
especialmente el que creyó exclusivo de la uva
(glucosa).
Sostuvo la teoría de las proporciones fijas y
constantes de los compuestos. En 1806 formuló la
ley de las proporciones definidas, su más
importante aportación a la química. Esta ley
establece que la proporción en masa con que se
combinan los elementos químicos para dat un
determinado compuesto es siempre la misma.
Cada compuesto químico
composición fija e invariable
tiene
una
La formulación de esta ley generó una gran polémica entre
Proust y Berthollet, entre los años 1801 y 1808. Este último de
gran autoridad por sus trabajos junto a Lavoisier, defendía la
hipótesis de la composición variable. A la sazón, Claude Louis
Berthollet,(1748 - 1822) químico francés) que estudiaba la
afinidad entre los compuestos químicos, advirtió que las tablas
de afinidad electiva de Bergmann no eran tortalmente válidas,
ya que la afinidad no era una fuerza absoluta, sino que sobre ella
podían influir las cantidades de los reaccionantes. De este modo,
Bethollet percibe la ley de acción de masas en las reacciones
químicas, aunque esta no se establece hasta años después.
Berthollet no diferencia entre la composición de una disolución y la composición de un
compuesto químico, e indica que la composición de los compuestos es variable a menos de
que un factor como la solubilidad defina su composición.
Aunque esta disputa se resolvió en su momento a favor de Proust, y está probada la
existencia un gran número de compuestos de composición definida, formados por moléculas
discretas y simples, como el agua o el dióxido de carbono, no es menos cierto el hecho de
que existen combinaciones químicas con una variación evidente en su composición, como es
el caso de los sólidos iónicos. Actualmente los compuestos químicos se dividen en daltónidos
y berthollidos, según cumplan o no la ley de Proust.
La ley de las proporciones definidas constituyó una poderosa arma para los químicos en
la búsqueda de la composición.
John Dalton 6 de septiembre de 1766 - 27 de julio de 1844). químico y
matemático inglés
En sus estudios sobre la meteorología desarrolló varios instrumentos de
medición y propuso por primera vez que el origen de la lluvia se
encuentra en el descenso de la temperatura. En este ámbito estudió
también las auroras boreales, y determinó que éstas están relacionadas
con el magnetismo de la Tierra
John Dalton
La ley de las presiones parciales fue formulada por el establece que la
presión de una mezcla de gases, que no reaccionan químicamente, es
igual a la suma de las presiones parciales que ejercería cada uno de ello
si él solo ocupase todo el volumen de la mezcla, sin cambiar la
temperatura
En 1805 expuso la teoría atómica en la que se basa la ciencia física
moderna. Demuestra que la materia se compone de partículas
indivisibles llamadas átomos. También ideó una escala de símbolos
químicos, que serán luego reemplazadas por la escala de Berzelius.
Los pesos atómicos determinados a partir de las relaciones de
combinación conocidas y de sus fórmulas eran bastante inexactos.
Comprobó que las cantidades de un mismo elemento que se unen con
una cantidad fija de otro elemento para formar en cada caso un
compuesto distinto, están en la relación de números enteros y
sencillos. Esta ley así enunciada, se conoce como ley de Dalton o ley
de las proporciones múltiples, y es una consecuencia de su teoría
atómica
En 1808, Gay Lussac observa que cuando un
volumen de oxígeno se une con dos volúmenes
de hidrógeno forman dos volúmenes de vapor de
agua medidos en las mismas condiciones de
presión y temperatura. Esta ley conocida como
la ley de los volúmenes de combinación resultó
de gran importancia dado el gran interés por las
sustancias gaseosas. La teoría atómica no podía
explicar la ley de Gay Lussac de los volúmenes
de combinación, ya que según Dalton la
combinación de un átomo de hidrógeno y uno de
oxígeno daba lugar a una partícula de agua de
fórmula HO, idea que llevó a Dalton a rechazar
las conclusiones de Gay Lussac, por inexactas
En 1802, Louis Gay Lussac publica los resultados de sus experimentos, basados en los que
Jacques Charles hizo en el 1787. Se considera así al proceso isobárico para la Ley de
Charles, y al isovolumétrico para la ley de Gay Lussac.
Isibárico, Ley de Gay Lussac
Isocórico, Ley de Charles
Se debe a Amadeus Avogadro la reconciliación de estos dos
hechos al sugerir, en 1811, que los gases elementales estaban
formados por moléculas diatómicas, y que en volúmenes iguales
de todos los gases, medidos en las mismas condiciones de
presión y temperatura existían igual número de moléculas.
Sin embargo, la hipótesis de Avogadro fue rechazada
enérgicamente por Berzelius, pues según las ideas acerca de la
afinidad química la unión de dos átomos iguales era imposible.
Las ideas de Avogadro no fueron reconocida hasta 1860, en el I
Congreso de Química de Karlruhe
Por ejemplo, si tenemos dos volúmenes iguales, uno de hidrógeno y otro de oxígeno, bajo las
mismas condiciones de temperatura y presión, de acuerdo con Avogadro tendrán el mismo
número de moléculas. Si ponemos esos gases en dos pequeños tanques iguales, que
inicialmente estaban al vacío (comprimiéndolos); el aumento de peso del tanque con
oxígeno entre el aumento de peso del tanque con hidrógeno, nos dará el peso molecular del
oxígeno en unidades del peso molecular del hidrógeno. El resultado obtenido es 16, o sea
que la molécula de oxígeno pesa dieciséis veces más que la de hidrógeno.
Fue el primer analista del Siglo XIX: además de llevar a cabo con
la mayor precisión un número enorme de análisis, hay que
atribuirle el descubrimiento de varios cuerpos simples: Hisinger
y Berzelius descubren el elemento cerio en 1807, en 1817
identifica el selenio, y como tercer y último descubrimiento el
torio en 1829. Sus alumnos descubrieron otros dos elementos: en
1817 Johann August Arfvedson descubre el litio, y en 1830 Nils
Gabriel Sefström descubre el vanadio. Berzelius fue quién
propuso los nombres de litio y vanadio, así como el de sodio. Fue
el primer químico que aisló el silicio (en 1823), el circonio (en
1824), el torio (en 1828) y el titanio.
Estudió las combinaciones de azufre con fósforo, el flúor y los fluoruros, determinó un gran
número de equivalentes químicos. Fue prácticamente el creador de la química orgánica.
Introdujo las nociones y las palabras alotropía, catálisis, isomería, halógeno, radical
orgánico y proteína. Tan filósofo como experimentador, consolidó la teoría atomística así
como la de las proporciones químicas; inventó e hizo aceptar universalmente fórmulas
químicas análogas a las fórmulas algebraicas con el objetivo de expresar la composición de
los cuerpos. Para explicar los fenómenos adoptó la célebre teoría del dualismo electroquímico, y con esta teoría llevó a cabo muchas reformas en la nomenclatura y en la
clasificación. Fue el precursor y desarrolló una teoría electroquímica y une acerca de los
radicales. También fue uno de los primeros que basó la mineralogía en el conocimiento de
los elementos químicos de los cuerpos. El actual sistema de notación química se adoptó
gracias a Berzelius, que fue quien lo propuso en 1813. Berzelius fue uno de los primeros que
publicó una tabla de las masas moleculares y atómicas con exactitud aceptable.
En 1772, el químico sueco Carl
Scheele logro aislar el aire desflogisticado
de Prietsley, al cual bautizó con más
propiedad aire incendiario, para destacar
que en su seno ardía vivamente una vela y
una astilla incandescente rápidamente se
inflamaba. Sin embargo no publicó sus
investigaciones hasta 1777, en el libro de
sugerente título “Tratado Químico sobre el
aire y el fuego”. En este libro describe los
procedimientos para determinar la
composición del aire, que según demuestra
está constituido por “fluidos ligeros de dos
géneros”. Por primera vez está apuntando
la existencia de los dos principales
componentes del aire: el nitrógeno y el
oxígeno. Se venia derrumbando la noción
del aire como algo elemental e inerte.
El desarrollo de la minería y la mineralogía condicionó el
surgimiento de diferentes Escuelas de químicos que a lo largo de
este siglo realizara numerosos aportes en el análisis de minerales,
en la comprensión y gobierno de los procesos de su reducción,
enterrando definitivamente el ideal alquimista de transformar
metales nobles en oro.
Toda la práctica de la especie humana anterior al siglo XVIII
había producido el hallazgo de 13 elementos químicos, entre ellos
nueve metales típicos. La expansión de los conocimientos
químicos significó en esta centuria sumar trece elementos al
repertorio de los metales. En poco más de cincuenta años se
superaría el número de metales descubiertos por más de seis
siglos de infructuosa búsqueda alquimista. Con el paso del
tiempo, estos metales se emplearían en la fabricación de
materiales estratégicos para el avance tecnológico.
Carl Wilhelm Scheele
El más notable representante de la generación de químicos
suecos del siglo XVIII y campeón absoluto en la lid de los
descubrimientos de elementos de esta centuria fue Carl W.
Scheele (1742-1786). En 1770 estableció contacto con el líder de
los químicos suecos de la época T.O. Bergman (1735- 1784) y
recibió su ayuda pero nunca cursó estudios formales de Química.
No obstante Scheele se convirtió en uno de los más grandes
químicos experimentales de todos los tiempos tomando parte en
el hallazgo de nuevas sustancias entre las que se encuentran los
compuestos del cloro, flúor, manganeso, bario, molibdeno,
wolframio y oxígeno.
Considerado entre los padres de
la Química Analítica, Martín
Heinrich
Klaproth
(17431817)
promueve la tradición
alemana en este campo desde la
cátedra de Química de la recién
fundada Universidad de Berlín
(1810). A Klaproth se deben los
descubrimientos del zirconio y
del uranio. El uranio fue
descubierto en 1789, en la
pechblenda. Más de un siglo
transcurrió para que en 1896, el
físico francés Antoine Henri
Becquerel
descubriera
la
radiactividad
Mientras los químicos intentaban racionalizar el
problema de la combustión, el inventor inglés
William Murdock (1754 - 1839) perteneciente al
grupo de ingenieros mecánicos que participaron en
las mejoras de la máquina de vapor, se encontraba
investigando el aprovechamiento del gas de coque
como posible fuente de iluminación. Con tal
propósito, Murdock instaló una retorta de hierro
en el traspatio de su casa desde donde condujo
hasta la sala una tubería que transportaba el gas
para alumbrar la habitación. Corría el 1792, y sólo
10 años más tarde, resueltos los problemas de
seguridad y de fabricación de los equipos
necesarios, la compañia de Bolton y Watt comenzó
la empresa comercial de la iluminación
artificial con gas de coque.
Ya a fines de la segunda década del XIX, una ciudad como Londres
disponía de una red de tuberías de 288 millas que alimentaban a más
de 71 mil quemadores
En el universo de la Física los estudios sobre “la
potencia motriz” del calor se apuntaron en la
agenda del siglo XIX con el desarrollo de
nuevas leyes y principios, y una desconocida
hasta entonces mirada estadística hacia los
sistemas moleculares.
La Escuela Francesa de físicos – matemáticos
que
aplican
novedosas
herramientas
matemáticas al desarrollo de una teoría sobre el
calor cuenta entre sus más sobresalientes
representantes de inicios del siglo a Joseph
Fourier (1768 – 1830). Fourier empleó una
nuevas series trigonométricas (series de
Fourier) en su tratado “Teoría analítica del
calor” publicado dos años antes de la obra
clásica de Carnot
Fue en Grenoble donde condujo sus experimentos sobre la propagación del calor que le
permiten modelar la evolución de la temperatura a través de series trigonométricas. Estos
trabajos mejoraron el modelado matemático de fenómenos físicos y contribuyeron a los
fundamentos de la termodinámica.
Sin embargo, la simplificación excesiva que proponen estas herramientas fue muy debatido,
principalmente por Pierre-Simon Laplace y Joseph-Louis Lagrange.
En 1824 el joven ingeniero francés Sady Carnot
(1796 - 1832), el mismo año del nacimiento de
Lord Kelvin, publica su
famosa memoria
“Reflexiones sobre la potencia motriz del calor y
sobre las máquinas apropiadas para desarrollar
esta potencia”, en donde se dedicó a razonar
sobre la pregunta general de cómo producir
trabajo mecánico (potencia motriz) a partir de
fuentes que producen calor. Carnot, en momentos
en que se trabaja en el perfeccionamiento de estas
máquinas, demuestra que no puede concebirse
una máquina térmica más eficiente operando
entre dos temperaturas prescritas que la suya y
anuncia una de sus proposiciones fundamentales:
La fuerza motriz del calor es independiente de los
agentes usados en producirla; su cantidad está
determinada unívocamente por las temperaturas
de los dos cuerpos entre los cuales ocurre,
finalmente, el transporte del calórico.
"No es posible construir una máquina cíclica y motriz que solo haga subir un peso
y enfriar una fuente única de calor".
Antes de los trabajos del ingeniero y
físico francés Émile Clapeyron
(1799-1864) la obra de Carnot era
poco conocida en los círculos
científicos. En 1834 aportó su
primera contribución a la creación de
la termodinámica moderna, al
publicar una memoria titulada Force
motrice de la chaleur (Fuerza motriz
del calor). En esta publicación
Clapeyron desarrolló las ideas de
Carnot sobre el calor de forma
analítica,
con
la ayuda de
representaciones
gráficas.
Sus
trabajos ejercieron una notable
influencia en las ideas de Thomson y
Clausius que derivaron en el segundo
principio de la Termodinámica.
elabora la formulación matemática
del ciclo de Carnot, y publica obras
fundacionales de la termodinámica.
Paralelamente con los trabajos iniciales que
pretendieron analizar la eficiencia de las
máquinas térmicas, el problema de la
interrelación entre trabajo y el calor fue
abordado por el médico alemán Julius Robert
von Mayer (1814 – 1878). Maye r estableció,
en 1842, que si la energía, en sus formas de
energía cinética y potencial, se transformaba
en calor, este debía poder transformarse en
esas dos formas de la energía sentando las
bases del principio de conservación en los
fenómenos biológicos y en los sistemas físicos.
Mayer fue capaz de encontrar una relación
cuantitativa entre el calor y el trabajo
basándose en los resultados de las mediciones
de las capacidades caloríficas de los gases.
Unos años más tarde el también
médico alemán Hermann von
Helmholtz
(1821
–
1894)
pretende publicar un trabajo
"Sobre la conservación de la
fuerza" (1847) que defiende la
conservación de la energía como
un principio universal de la
naturaleza
así
como
la
posibilidad de conversión de la
energía cinética y potencial en
"formas
químicas,
electrostáticas,
voltaicas
y
magnéticas". La lectura de su
trabajo en la Sociedad Física de
Berlín fue considerado por sus
miembros más viejos como
demasiado
especulativo
y
rechazada su publicación en la
Revista alemana Annalen der
Physik.
En la década de los cincuenta el físico británico
James P. Joule (1818-1889) desarrolla los
experimentos que permiten determinar el llamado
“equivalente mecánico del calor”. Joule considera
el calor como movimiento y propone la estructura
corpuscular de la sustancia, con lo cual inaugura
la Teoría Cinético – Molecular de los gases,
que intenta explicar el comportamiento de los
gases ideales, teniendo como antecedentes los
trabajos desarrollados por Boyle, Jacques A.C.
Charles (1746 – 1823) y Joseph Gay Lussaac
(1778 – 1850).
En los años siguientes Joule alcanza la
confirmación experimental de las ideas de von
Helmholtz. Se formula entonces la ley de
conservación y transformación de la energía, que
se constituyó en principio de capital importancia.
Las implicaciones de esta ley en el desarrollo
ulterior de los conocimientos físicos tuvieron tal
alcance que algunos autores consideran al periodo
que le sucedió como una segunda etapa en el
desarrollo de las Ciencias Físicas, basada en la
aplicación de los principios de conservación.
Por su parte, en la visión complementaria del
alemán Rudolf Clausius (1822 - 1888) para un
ciclo
refrigerante
queda
establecido
la
imposibilidad de extraer calor a una baja
temperatura para entregar a una temperatura
más alta sin que se suministre una determinada
cantidad de trabajo al sistema
Tras descubrir un poco por azar la olvidada obra
de Nicolas Léonard Sadi Carnot, Reflexiones sobre
la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas
adecuadas para desarrollar esta potencia,
comprendió rápidamente el alcance y la difundió
entre los físicos de su época.
También participó después en la elaboración de la
segunda ley de la termodinámica (1850) año en el
cual acuñó el concepto de entalpía, inventó el
concepto de entropía en 1865.
En 1857 Clausius aportó una importante novedad
a la teoría cinética afinando el modelo cinético
elemental de los gases de August Krönig,
introduciendo los grados de libertad molecular
(traslacionales, rotacionales y vibracionales). En
ese mismo trabajo introdujo el concepto de camino
libre medio de una partícula.
Hacia 1866, en forma independiente de
Maxwell, Ludwig Boltzmann (1844 –
1906) había formulado las bases de la
teoría cinética de los gases. Esta teoría
constituyó el primer eslabón de lo que más
tarde se denominó Física Estadística como
rama de la Física que estudia los sistemas
de muchas partículas. Para estos sistemas
existe objetivamente una dificultad en los
cálculos que se supera mediante la
descripción estadística. Su teoría significó
un cambio de un concepto de certidumbre
(el calor visto como un flujo de lo caliente
hacia lo frío) hacia una noción estadística
del movimiento de las moléculas. Su
nueva visión no rechazó los anteriores
estudios de termodinámica sino explicó
mejor las observaciones y experimentos
El calor no era algo que fluía de un lugar a otro, era, simplemente, otra palabra para
describir la actividad de las moléculas de una sustancia en cuestión.
Es difícil sobreestimar la contribución
de Boltzmann en el desarrollo de la
Física. Gracias a él se unieron dos
mundos: el de las propiedades
macroscópicas con los parámetros del
movimiento de los átomos y moléculas.
Filosóficamente, la Termodinámica
Estadística que construyen entre él y
Maxwell significó un cambio de un
concepto de certidumbre (el calor visto
como un flujo de lo caliente hacia lo
frío) hacia una noción estadística del
movimiento de las moléculas. Su nueva
visión no rechazó los anteriores
estudios de termodinámica sino explicó
mejor
las
observaciones
y
experimentos.
Pero
las
ideas
vanguardistas de Boltzmann chocaron
con los que defendían la dirección
descriptiva en la Física.
Todos los resultados anteriores posibilitaron enunciar ya en este siglo
tres de los cuatro principios que constituyen los núcleos de la
disciplina llamada Termodinámica:
El Principio Cero que establece la posibilidad y el método de
medición de la temperatura absoluta de un sistema como parámetro
del equilibrio termodinámico;
El Primer Principio en esencia reflejo de la expresión más general de
la ley de conservación y transformación de le energía;
El Segundo Principio, también conocido como el principio de
aumento de la entropía, que expresa el carácter irreversible de los
procesos naturales y las relaciones entre el orden y el desorden
empleando el concepto de entropía como una medida logarítmica del
número de estados accesibles del sistema.