Historia de la termodinámica para niños

La historia de la termodinámica es un viaje fascinante a través del tiempo que nos muestra cómo los científicos descubrieron las reglas que rigen el calor, la energía y el movimiento. Es una parte muy importante de la historia de la física y la historia de la química, y ha influido en muchos campos, desde la meteorología hasta la biología.

Gracias a la termodinámica, se pudieron desarrollar inventos increíbles como la máquina de vapor, los motores de combustión interna y las formas de generar electricidad. También nos ayudó a entender mejor cómo funcionan los átomos y las partículas más pequeñas.

Primeros Pasos en la Termodinámica

¿Quiénes fueron los pioneros?

La historia de la termodinámica como ciencia comenzó con Otto von Guericke en 1650. Él construyó la primera bomba de vacío y demostró lo que era el vacío usando sus famosos hemisferios de Magdeburgo. Guericke quería demostrar que, al contrario de lo que se pensaba en la antigüedad, el vacío sí podía existir.

Poco después, el científico Robert Boyle mejoró los diseños de Guericke. En 1656, junto con Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Con ella, Boyle y Hooke notaron una relación entre la presión, la temperatura y el volumen de un gas. Esto llevó a la famosa ley de Boyle, que dice que si la temperatura de un gas se mantiene igual, su presión y volumen son inversamente proporcionales (si uno sube, el otro baja).

Inventos que cambiaron el mundo

En 1679, un colega de Boyle, Denis Papin, inventó un "digestor de vapor". Era una olla a presión que usaba vapor para cocinar alimentos más rápido. Al ver cómo una válvula se movía rítmicamente, Papin tuvo la idea de un motor de pistón.

Más tarde, en 1697, el ingeniero Thomas Savery usó las ideas de Papin para construir el primer motor térmico. Luego, Thomas Newcomen lo mejoró en 1712. Aunque estos primeros motores eran sencillos y no muy eficientes, llamaron la atención de muchos científicos.

El motor de Savery de 1698, la primera máquina de vapor útil comercialmente. Fue construida por Thomas Savery.

Entendiendo el calor y la energía

En 1733, Daniel Bernoulli usó las matemáticas y la mecánica para estudiar cómo se mueven los líquidos, sentando las bases de la física estadística.

En 1781, el profesor Joseph Black de la Universidad de Glasgow desarrolló los conceptos de capacidad calorífica (cuánto calor puede almacenar una sustancia) y calor latente (el calor necesario para cambiar de estado, como de hielo a agua, sin cambiar la temperatura). James Watt, quien trabajaba con Black, usó estas ideas para mejorar la máquina de vapor, haciéndola mucho más eficiente.

En 1783, Antoine Lavoisier propuso la teoría calórica, que decía que el calor era una sustancia invisible. Sin embargo, en 1798, Benjamin Thompson, conde de Rumford, demostró que el trabajo mecánico (como la fricción al perforar cañones) podía producir calor, lo que empezó a desafiar la teoría calórica.

Nicolas Léonard Sadi Carnot, considerado el "padre de la termodinámica".

El Nacimiento de la Termodinámica Moderna

Sadi Carnot y la eficiencia de los motores

Basándose en todo el trabajo anterior, Sadi Carnot, a quien se le conoce como el "padre de la termodinámica", publicó en 1824 su libro Reflexiones sobre la energía motriz del fuego. En este libro, habló sobre la eficiencia de los motores, la energía y el movimiento. Describió cómo funcionan las máquinas de Carnot y el ciclo de Carnot, marcando el verdadero inicio de la termodinámica como una ciencia moderna.

Antes de la invención de la máquina de vapor en 1698, se usaban caballos para sacar agua de las minas. Con el tiempo, las máquinas de vapor, como la máquina de Newcomen y la máquina de Watt, reemplazaron a los caballos. Por eso, la potencia de los motores se medía en "caballos de fuerza". El problema era que estos primeros motores eran lentos y solo convertían una pequeña parte del combustible en trabajo útil. Esto hizo que fuera necesario estudiar cómo mejorar la "dinámica" de los motores.

Carnot definió la "fuerza motriz" como el efecto útil que un motor puede producir. También nos dio la primera definición moderna de "trabajo": "peso levantado a través de una altura". Entender cómo se relaciona este "efecto útil" con el "trabajo" es el centro de la termodinámica actual.

Una máquina de vapor de Watt, que impulsó la Revolución Industrial en Gran Bretaña y el mundo.

Las leyes fundamentales

En 1843, James Prescott Joule demostró experimentalmente que el calor y el trabajo mecánico son formas de energía que pueden convertirse una en la otra. Esto llevó a la idea de la conservación de la energía, que explica por qué el calor puede transformarse en trabajo.

En 1850, el físico Rudolf Clausius definió el término "entropía" (simbolizado con la letra S). La entropía se refiere al calor que se pierde o se convierte en algo que no se puede usar para hacer trabajo.

El nombre "termodinámica" fue acuñado en 1854 por el matemático y físico británico William Thomson (Lord Kelvin) en su artículo Sobre la Teoría Dinámica del Calor.

En 1871, James Clerk Maxwell y Clausius desarrollaron la termodinámica estadística, que estudia cómo se comportan grandes grupos de partículas en equilibrio (cuando no hay cambios).

Poco después, en 1875, el físico austriaco Ludwig Boltzmann encontró una conexión precisa entre la entropía y el movimiento de las moléculas. Su fórmula muestra que la entropía está relacionada con el número de formas en que las moléculas pueden organizarse.

Entre 1873 y 1876, el físico matemático estadounidense Josiah Willard Gibbs publicó una serie de artículos, siendo el más famoso Sobre el equilibrio de las sustancias heterogéneas. Gibbs mostró cómo se podían analizar los procesos termodinámicos, incluyendo las reacciones químicas, de forma gráfica. También introdujo el concepto de entalpía (H), que es una medida del calor en un sistema a presión constante.

Ideas Antiguas sobre el Calor

El fuego y los átomos

Desde la antigüedad, la gente relacionaba el calor con el fuego. Los antiguos egipcios, alrededor del año 3000 a.C., veían el calor con un origen mitológico. En la filosofía occidental, pensadores como Empédocles propusieron que todas las sustancias estaban hechas de cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. El fuego de Empédocles es un antecesor de ideas posteriores como el flogisto y la teoría calórica.

El atomismo, la idea de que todo está hecho de partículas diminutas llamadas átomos, es clave para entender la termodinámica y la física estadística. Pensadores antiguos como Leucipo y Demócrito sentaron las bases de la teoría atómica.

Calentar un cuerpo, como un segmento de proteína de hélice alfa (arriba), hace que sus átomos vibren más y que el cuerpo se expanda o cambie de fase si se sigue calentando.

El vacío y la presión

En el siglo V a.C., el filósofo griego Parménides argumentó que el vacío no podía existir. Esta idea fue apoyada por Aristóteles, pero criticada por otros. Durante siglos, hubo debates y experimentos para intentar crear un vacío, pero sin éxito.

En los siglos XVI y XVII, científicos como Galileo Galilei y Santorio Santorio usaron termómetros rudimentarios para medir el "frío" o "calor" del aire.

Alrededor de 1600, Francis Bacon sugirió que el calor era una forma de movimiento. En 1643, Galileo creyó que la "aversión de la naturaleza al vacío" (horror vacui) tenía un límite. Las bombas de las minas solo podían levantar agua hasta cierta altura. Galileo animó a su alumno Evangelista Torricelli a investigar esto. Torricelli descubrió que no era la "aversión al vacío" lo que levantaba el agua, sino la presión del aire sobre el líquido. Para probarlo, llenó un tubo con mercurio y lo invirtió en un plato con mercurio. Solo una parte del tubo se vació, creando un vacío parcial en la parte superior.

Ramas de la Termodinámica

La termodinámica se ha dividido en muchas ramas a lo largo del tiempo, cada una enfocada en diferentes aspectos:

Las ideas de la termodinámica también se han aplicado en otros campos, como la Termoeconomía (c. 1970).

Entropía y la Segunda Ley

Aunque trabajaba con la teoría calórica, Sadi Carnot sugirió en 1824 que parte del calor disponible para hacer trabajo útil se pierde en cualquier proceso real. En 1851, Lord Kelvin (William Thomson) empezó a pensar que siempre hay una pérdida inevitable de calor útil. Esta idea fue desarrollada por Hermann von Helmholtz en 1854, lo que llevó al concepto de la "muerte térmica del universo", una idea de que el universo eventualmente se quedará sin energía útil.

En 1854, William John Macquorn Rankine comenzó a usar lo que llamó su "función termodinámica", que más tarde se demostró que era lo mismo que el concepto de entropía formulado por Rudolf Clausius en 1865. Clausius usó la entropía para desarrollar su famosa declaración del segundo principio de la termodinámica ese mismo año.

Transferencia de Calor

El fenómeno de la conducción de calor es algo que vemos todos los días. En 1701, Isaac Newton publicó su ley de enfriamiento. Sin embargo, en el siglo XVII, se creía que todos los materiales conducían el calor de la misma manera y que las diferencias se debían a su capacidad para almacenar calor.

Las primeras dudas sobre esto surgieron con la nueva ciencia de la electricidad, donde era claro que algunos materiales conducían la electricidad bien y otros eran aislantes. Jan Ingenhousz y Benjamin Thompson hicieron las primeras mediciones sobre esto a finales del siglo XVIII.

Edmund Halley señaló en 1686 que el aire caliente sube y que esto es importante para la meteorología. John Leslie observó en 1804 que el efecto de enfriamiento de una corriente de aire aumenta con su velocidad.

Carl Wilhelm Scheele distinguió en 1777 la transferencia de calor por radiación térmica (calor radiante) de la convección y la conducción. En 1791, Pierre Prévost demostró que todos los cuerpos irradian calor, sin importar si están calientes o fríos. Leslie observó en 1804 que una superficie negra mate irradia calor de manera más eficiente que una superficie pulida.

James Clerk Maxwell propuso en 1862 que tanto la luz como el calor radiante eran formas de radiación electromagnética, lo que llevó al estudio 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, lo que se conoce como la Ley de Stefan-Boltzmann. Ludwig Boltzmann la derivó teóricamente en 1884.

Criogenia

En 1702, Guillaume Amontons introdujo el concepto de cero absoluto basándose en sus observaciones de los gases. En 1810, John Leslie logró congelar agua artificialmente. La idea del cero absoluto fue generalizada en 1848 por Lord Kelvin. En 1906, Walther Nernst enunció el tercer principio de la termodinámica, que establece que es imposible alcanzar el cero absoluto.

Galería de imágenes

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  Sadi Carnot (1796-1832): el «padre» de la termodinámica

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  Una máquina de vapor de Watt, la máquina de vapor que impulsó la Revolución Industrial en Gran Bretaña y el mundo

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  Robert Boyle. 1627-1691

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  Primer calorímetro de hielo del mundo, utilizado en el invierno de 1782-83, por Antoine Lavoisier y Pierre-Simon Laplace, para determinar el calor implicado en varios cambios químicos; cálculos que se basan en el descubrimiento previo de Joseph Black de Calor latente. Estos experimentos marcan el fundamento de la Termodinámica.

Anexo: Cronología de la termodinámca

Véase también

En inglés: History of thermodynamics Facts for Kids

• Conservación de la energía: Desarrollo histórico
• Historia de la química
• Historia de la física
• Maxwell's thermodynamic surface
• Timeline of thermodynamics, statistical mechanics, and random processes
• Termodinámica
• Timeline of heat engine technology
• Timeline of low-temperature technology