Historia de la Termodinámica

HISTORIA DE LA TERMODINÁMICA

La termodinámica es la rama de la física que se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. En particular, describe cómo la energía térmica se convierte hacia y desde otras formas de energía y cómo afecta a la materia. La historia de la termodinámica rastrea el desarrollo de las teorías de qué es el calor y su relación con el trabajo o "efecto mecánico".

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EL VACÍO SEGÚN PARMÉNIDES

GRECIA, 485 a. C. En su tratado "Sobre la naturaleza", el físico y filósofo griego Parménides argumentó que la ausencia de materia en un espacio o más bien un vacío, en la naturaleza, no podría existir. Esto lanzó el debate de dos milenios sobre “la naturaleza aborrece el vacío” (Horror vacui).

EL ATOMISMO Y OTRAS CONTRIBUCIONES DE LA ANTIGüEDAD

La principal preocupación que los pensadores tenían era el encontrar la mínima cantidad de materia de la cual estaba compuesto todo el Universo, las cuales denominaron partículas elementales de la materia, indivisibles e indestructibles.

En la antigua Grecia, Leucipo y Demócrito dieron, individualmente, las primeras teorías sobre cómo eran y se comportaban estas partículas elementales. Más tarde, estos pensamientos evolucionarían y se convertirían en la teoría atomista, fundamental en el estudio macroscópico de la materia.

Siglos 3000 a. C. - 5 a. C. Durante este período, varias civilizaciones postularon que toda la materia estaba compuesta por los llamadados elementos básicos que varian de una a otra pero podemos generalizar como: agua, tierra, viento y fuego

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el termoscopio

EUROPA, siglos XVI y XVII. Los científicos europeos Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei y Santorio Santorio pudieron medir la "frialdad" o el "calor" relativos del aire, utilizando un termómetro de aire rudimentario conocido propiamente como termoscopio. Este es el primer acercamiento a medir el estado de un sistema energético en base a su temperatura.

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DISPOSITIVOs DE VACÍODE GALILEO Y TORRICELLI

ITALIA, 1640-1646. Apesar del rechazo a la idea del vacío, las bombas que operaban en las minas de la época ya habían demostrado que la naturaleza solo llenaría un vacío con agua hasta una altura de aprox. 30 pies. Galileo había construido un dispositivo de vacío que se conformaba de un pistón y un cilindro. Entonces, animó a su exalumno Torricelli a investigar estas supuestas limitaciones.

LA conjetura de francis bacon

Torricelli no creía que el Horror vacui fuera el responsable de elevar el nivel del agua. Más bien, razonó, era el resultado de la presión ejercida sobre el líquido por el aire circundante.

INGLATERRA, 1600. El filósofo y científico Francis Bacon propuso la siguiente conjetura: "El calor mismo, su esencia e ineherente naturalidad es movimiento y nada más". Fue el primer autor en adjudicar la propiedad de movimiento al calor. Característica que más tarde sería probada.

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PISTÓN Y CILINDRO

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Dos equipos de caballos, que van de 8 a 15 caballos por equipo, tirando en direcciones opuestas, no pudieron separar los hemisferios . Para asombro de los espectadores, con el giro de la jeringa se dejaba entrar aire; permitiendo que los dos hemisferios sean separables por un niño. Estas demostraciones mostraron que la potencia de la aspiradora era superior a 30 "caballos de fuerza". Término que sería acuñado por James Watts años más tarde.

ALEMANIA, 1647-1650. El científico Otto Guericke construyó un dispositivo de Pistón y Cilindro inspirado por el libro 'Las dos nuevas ciencias' de Galileo, Guericke empleó este pistón y cilindro como dispositivo de succión con el propósito de extraer, primero líquido (de un barril), y luego aire (de unas esferas huecas de cobre), con el fin de demostrar la existencia de vacíos en la naturaleza.

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Hemisferios de magdeburgO

ROBERT BOYLE Y SU MOTOR NEUMÁTICO

ALEMANIA, 1654-1663. Para demostrar el poder del vacío, entre 1654 y 1663, Guericke construyó los "hemisferios de Magdeburgo", dos hemisferios de cobre, unidos con grasa en sus bordes, en tal una manera de formar una esfera hueca, de la cual el aire podría ser eliminado por medio de la bombilla de vacío.

INGLATERRA, 1657.

Boyle trabajó en construir un dispositivo de combinación de bomba de vacío/ bomba de aire llamado motor neumático, con el que se determinó la Ley de Boyle, la primera de las leyes de los gases. Esta ley estipula la relación inversamente proporcional del volúmen de un gas y su presión..

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DIGESTOR A VAPOR y MOTOR DE VAPOR DE PAPIN

LA TEORÍA DEL FLOGISTO DE BECHER

FRANCIA, 1679-1690. El físico francés Denis Papin, después de trabajar con Huygen en su motor de pólvora (y otras variantes) de 1673 a 1678, y con Boyle y su motor neumático, construyó un dispositivo tipo olla a presión para ablandar huesos, que más tarde se llamaría digestor. ​Los diseños anteriores explotaron, por lo que Papin agregó una válvula de liberación de vapor.

ALEMANIA, 1669. Johann Joachim Becher propuso que el calor estaba asociado con una sustancia indetectable llamada flogisto que se expulsaba del material cuando se quemaba. La teoría del flogisto intentó explicar los procesos químicos de aumento de peso como la combustión y la oxidación, ahora conocidos colectivamente como oxidación.

Motor de pólvora de Huygens

Fue abandonada antes de finales del siglo XVIII tras los experimentos de Antoine Lavoisier y otros. La teoría del flogisto condujo a experimentos que finalmente concluyeron con el descubrimiento del oxígeno.

PAÍSES BAJOS, 1678. Luego de leer sobre el vacío de Guericke, el científico holandés Christiaan Huygens, construyó un motor de pólvora, con la lógica de que una explosión dentro del pistón crearía un vacío, forzando así el pistón hacia abajo. y empleando el trabajo de cinco o más hombres.

+ detalles

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EL MOTOR de THOMAs SAVERY

Hydrodynamica, bernoulli

THOMAs NEWCOMEn Y EL motor atmosférico

INGLATERRA, 1698.

Papin había diseñado otro prototipo en 1690 pero no lo pudo desarrollar. El ingeniero inglés Thomas Savery usó este diseño del motor de Papin como modelo para hacer la primera máquina de vapor de tipo prototipo en funcionamiento, llamada "Amigo del minero" (máquina Savery), una especie de bomba de sumidero que funcionaba para succionar agua de las minas inundadas. , trabajo previamente realizado a mano o a caballo.

SUIZA, 1738. En el libro HYDRODYNAMICA, el científico suizo Daniel Bernoulli describió los conceptos básicos de la Ley de los gases ideales, ideas precursoras de la Teoría cinética de los gases. También dio la primera definición del concepto de presión, como colisiones de partículas contra una superficie. Bernoulli, en este libro, afirma que los gases son partículas en movimiento.

INGLATERRA, 1712. El ingeniero inglés Thomas Newcomen mejoró el diseño de la bomba de sumidero de Savery para hacer la máquina de vapor real (motor Newcomen). El motor funcionaba mediante la condensación de vapor introducido en el cilindro, lo que creaba un vacío parcial que permitía que la presión atmosférica empujara el pistón hacia el cilindro.

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Máquina de Vapor de WATT

Teoria calorica

Experimentos de rumford

REINO UNIDO, 1764-1775.

FRANCIA, 1787.

REINO UNIDO 1798.

Una de las invenciones más importantes del ingeniero mecánico y químico escosés James Watt fue en 1765, el condensador separado para una máquina de vapor. Watt se dió cuenta de que la pérdida de calor latente era el peor defecto de una máquina de Newcomen, y para disminuir tal pérdida, la condensación debía de llevarse a cabo en una cámara separada del cilindro, pero conectada con él. La idea se le ocurrió al reparar un modelo de la máquina de vapor de Newcomen y observar la cantidad de vapor que se perdía. Entre 1765 a 1775 estuvo diseñando una máquina junto a Matthew Boulton. Su diseño logró una mayor eficiencia en el uso del combustible que las máquinas anteriores.

El inventor inglés Benjamin Thompson, Conde de Rumford, realizó su “experimento de mandriladora de cañón”, en el cual se hierve 8 kilogramos de agua por medio de fricción metal-metal, para probar la validez de la teoría calórica y estudiar cuantitativamente la conversión del trabajo en calor. El resultado del experimento fue que Thompson refutó la existencia del calórico, lo que mostró la necesidad de una nueva teoría del calor.

El término “Calórico” se usó por primera vez en 1787, cuando los químicos franceses Guyton de Morveau y Antoine Lavoisier lo definieron como la forma de MATERIA responsable de los fenómenos como el calor y la combustión. En la teoría calórica se define el calor como un fluido hipotético, el calórico impregna a la materia y es la razón de su calor. El calórico se difunde entre cuerpos, pasando de uno a otro por contacto entre ellos.

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Inicio de la ciencia de la termodinamica

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Equivalente mecanico del calor

Experimentos de Davy

FRANCIA, 1824.

El ingeniero y físico francés Sadi Carnot publicó su famoso libro “Reflexiones de la fuerza motriz del fuego”, en el cual mostró que el trabajo que produce una máquina de vapor es proporcional al calor que transfiere la caldera al condensador. En el libro, Carnot desarrolla el modelo de la máquina de Carnot,una máquina ideal que realiza trabajo usando calor. Dentro de la máquina hay un gas sometido a un proceso cíclico de expansión y compresión entre dos temperaturas. Al ciclo termodinámico usado se le llama ciclo de Carnot.Esta publicación marca el inicio de la ciencia de la termodinámica. [Carnot se dio cuenta que el calor es resultado del movimiento de pequeñas partículas (antes de Mayer) y calculó el equivalente mecánico del calor, además fue el que introdujo el concepto de eficiencia termodinámica]

REINO UNIDO, 1799.

ALEMANIA, 1842.

Sir Humphry Davy, uno de los pades de la electroquímica, estudiaba la conversión del trabajo en calor por medio de experimentos que frotaban placas de hielo entre ellas, estos experimentos mostraron que el movimiento entre esas placas hacía que se derritieran y que una vez el movimiento se detenía. las placas se unían por regelación.

El físico y médico alemán Julius Robert Mayer publica “Observaciones sobre las fuerzas de la naturaleza inorgánica”, donde formula la ley general de la conservación de la energía y calcula el equivalente mecánico del calor.

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Resultados de Joule

Escala de temperatura de kelvin

REINO UNIDO, 1843-1853.

El físico británico James Prescott Joule, considerado por muchos el padre de la termodinámica experimental, sentó las bases experimentales de la primera ley de la termodinámica al realizar experimentos que establecieron la equivalencia del trabajo y calor, en 1843 determinó el equivalente mecánico del calor y formuló la ley de conservación de la energía (Independiente de Mayer en 1842 y Helmholtz en 1847). Junto a Lord Kelvin descubrió el efecto conocido como el efecto Joules-Thompson en 1853, según el cual es posible enfriar un gas en expansión si se lleva a cabo el trabajo necesario para separar las moléculas del gas. Gracias a eso, se posibilitó la licuefacción de los gases. La unidad del SI “Joule” se nombró en su honor.

REINO UNIDO, 1848. Lord Kelvin (William Thompson) introduce la escala de temperatura termodinámica Kelvin, sobre la base del grado Celsius, haciendo uso de la máquina de Carnot. Una escala de temperatura termodinámica es aquella escala que no depende de las propiedades de cualquier sustancia.

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Aportes de Clausius

Cimientos para la teoría cinetica de los gases

ALEMANIA, 1850 - 1865.

El físico alemán Rudolf Clausius, considerado como uno de los padres de la mecánica estadística, formuló la Segunda ley de la termodinámica cerca de 1850. En ése entonces la Segunda ley se formuló a partir del hecho que el calor no fluye espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente. Por la misma época Clausius modificó la ley de Carnot, de tal forma que el trabajo producido por calor es proporcional al calor transferido de un cuerpo caliente a un cuerpo frío, y también es proporcional a la diferencia de temperaturas de los dos cuerpos. Fue probablemente uno de los primeros en ver que había dos principios básicos de la termodinámica: la Primera y Segunda Ley, e introdujo el concepto de energía interna.La idea de que los gases son moléculas en movimiento, que había sido estudiada por Bernoulli en 1738, había caído en desgracia, pero fue traída de vuelta por Clausius en 1857. En la década de 1860 Clausius introduce la entropía como una razón de calor sobre temperatura y expresa la Segunda ley en términos del aumento de esta cantidad. En 1865, expresa la Primera y Segunda ley en dos renglones: La energía del universo es constante. La entropía del universo tiende a un máximo.

REINO UNIDO, 1860. En 1860, el matemático escocés James Clerk Maxwell obtuvo a partir de la mecánica de colisiones moleculares individuales la distribución esperada de velocidades moleculares en un gas. Luego de eso, en los años siguientes, se desarrolló la teoría cinética de los gases. Maxwell también enuncia que "Todo el calor es del mismo tipo", lo que permite formalizar la Ley cero de la termodinámica mucho después.

PERSONAS INFLUYENTES SIGLO XX

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Aportes de gibbs

Walther Nernst

EEUU, 1875 - 1903

El físico estadounidense Willard Gibbs publicó su su tratado "Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas" en 1876, en el cual mostró como un proceso termodinámico podía ser representado gráficamente y cómo prever la espontaneidad de un proceso a partir del estudio de la energía, la entropía, el volumen, la temperatura, y la presión. En dicho trabajo, Gibbs incluye el concepto de potencial químico. Los siguientes artículos aplicaron sus métodos gráficos de análisis termodinámico a sistemas químicos de etapas múltiples. Define para las reacciones químicas dos funciones muy útiles, a saber, la entalpía que representa el calor de una reacción a presión constante, y la entalpía libre que determina si una reacción puede proceder espontáneamente a temperatura y presión constante. Propone la paradoja de Gibbs sobre la entropía asociada con el proceso de mezcla de gases, una paradoja que a menudo se considera que anticipa la indiscernibilidad de partículas idénticas requeridas por la mecánica cuántica.

ALEMANIA

Trabajó en los campos de la electroquímica, termodinámica, química del estado sólido y fotoquímica. Sus descubrimientos incluyen la ecuación de Nernst en 1887. Desarrolló el llamado "teorema del calor de Nernst", según el cual el cambio de entropía de una materia tiende a anularse cuando su temperatura se aproxima al cero absoluto, y que allanó el camino para la tercera ley de la termodinámica. También formuló una teoría osmótica para explicar y determinar el potencial de los electrodos de una pila de concentración y formuló la ley de distribución de una materia entre dos fases dadas. En 1920 se le otorgó el premio Nobel de química por su terorema del calor.

PERSONAS INFLUYENTES SIGLO XX

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Max planck

Ludwig E. Boltzmann

ALEMANIA

AUSTRIA

Expuso en la Sociedad Alemana de Física en 1900, el descubrimiento de una constante fundamental, que terminó siendo denominada la constante de Planck, usada para calcular la energía de un fotón. Esto significa que la radiación no puede ser emitida ni absorbida de forma continua, sino sólo en determinados momentos y pequeñas cantidades denominadas fotones. La energía de un fotón depende de la frecuencia de la radiación. Un año después descubrió la ley de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo a una temperatura dada, denominada ley de Planck, que explica el espectro de emisión de un cuerpo negro. Esta ley se convirtió en una de las bases de la mecánica cuántica. En 1918 se le otorgó el premio Nobel de Física por las bases que sentó para la física cuántica

Boltzmann, en la década de 1870 publicó artículos donde expuso cómo la segunda ley de la termodinámica se puede explicar aplicando las leyes de la mecánica y la teoría de la probabilidad a los movimientos de los átomos. Dejó claro el carácter esencialmente estadístico de la segunda ley de la termodinámica, desarrolló la mecánica estadístiva, dedujo el teorema de equipartición de la energía (junto a J. Maxwell), y derivó una ecuación para el cambio en la distribución de energía entre los átomos de un sistema debido a las colisiones entre ellos. Destaca en su obra una pionera aplicación de métodos probabilísticos a la mecánica , lo que le permitió fundamentar teóricamente las leyes de la termodinámica y trazar el camino para el desarrollo posterior de la termodinámica del llamado "no equilibrio". Sus teorías fueron muy criticadas por la comunidad científica.

PERSONAS INFLUYENTES SIGLO XX

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Albert Einstein

ALEMANIA

Lars onsager

NORUEGA

Publicó trabajos en 1902 y 1903 sobre los fundamentos estadísticos de la termodinámica, corroborando experimentalmente que la temperatura de un cuerpo se debe a la agitación de sus moléculas, una teoría aún discutida en esa época. También Einstein en 1905 proponía la idea de «quanto» de luz (ahora llamados fotones) y mostraba cómo se podía utilizar este concepto para explicar el efecto fotoeléctrico. La teoría de los cuantos de luz fue un fuerte indicio de la dualidad onda-corpúsculo y de que los sistemas físicos pueden mostrar tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. Y en el mismo año indicó la fórmula E=mc^2 para explicar cómo una partícula con masa posee un tipo de energía, «energía en reposo», distinta de las clásicas energía cinética y energía potencial.

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Los resultados de sus trabajos sobre la extensión del gradiente de la temperatura, son la base de la termodinámica de los procesos irreversibles. Estos trabajos no tuvieron resonancia en su momento, pero después de la Segunda Guerra Mundial fueron reconocidos y finalmente en 1968 le fue concedido el Premio Nobel de Química por todos ellos. A partir de la década de 1940 inició sus trabajos acerca de la mecánica estadística en la transición del estado de la materia de los sólidos, consiguiendo resolver el modelo de Ising bidimensional, modelo científico físico propuesto por el estudio del comportamiento de los materiales ferromagnéticos.

Stephen hawking

INGLATERRA

En 1974, calculó que los agujeros negros debían de crear y emitir térmicamente partículas subatómicas, lo que actualmente se conoce como radiación de Hawking, hasta que gastan su energía y se evaporan. Según Stephen Hawking, en los agujeros negros se viola el segundo principio de la termodinámica, lo que dio pie a especulaciones sobre viajes en el espacio-tiempo y agujeros de gusano.