Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

Historia de la termodinámica

Historia de la termodinámica

La termodinámica es la rama de la física clásica que estudia y describe las transformaciones termodinámicas inducidas por el calor y el trabajo en un sistema termodinámico, como resultado de procesos que implican cambios en las variables de estado de temperatura y energía.

La historia de la termodinámica es una etapa fundamental en la historia de la física, la química y la historia de la ciencia en general. Debido a la relevancia de la termodinámica en muchas partes de la ciencia y la tecnología, la historia de la termodinámica ha sido de naturaleza sutil con el desarrollo de la mecánica clásica, la mecánica cuántica, el magnetismo y la ciencia de la velocidad química, y en campos prácticos más remotos como la meteorología, la teoría de la información y la biología (fisiología), y el motor de vapor, maquinaria de combustión interna. También está vinculado a los avances tecnológicos como el criógeno y la generación de electricidad.

El desarrollo de la termodinámica continuó y continuó con la teoría atómica. Además, con un enfoque ingenioso, movilizó nuevas direcciones en probabilidad y estadística; ver, por ejemplo, la línea de tiempo de la termodinámica.

La termodinámica desde la antigüedad

Los antiguos veían el calor como algo relacionado con el fuego. Los antiguos egipcios consideraban que el calor estaba relacionado con orígenes mitológicos. En la tradición filosófica occidental, Empedocles propuso una teoría de cuatro elementos, en la que todas las sustancias derivan de la tierra, el agua, el aire y el fuego. Alrededor del 500 a. C., el filósofo griego Heráclito argumentó que los tres elementos principales en la naturaleza eran fuego, tierra y agua.

En el período moderno, se pensaba que el calor era una medida de un fluido invisible, conocido como calórico. Los cuerpos fueron capaces de contener una cierta cantidad de este fluido, lo que llevó al término capacidad de calor.

En los siglos XVIII y XIX, los científicos abandonaron la idea de un calórico físico y, en cambio, entendieron el calor como una manifestación de la energía interna de un sistema. Hoy el calor es la transferencia de energía térmica desordenada.

El atomismo es una parte central de la relación actual entre la termodinámica y la mecánica estadística. Los pensadores antiguos como Leucipo y Demócrito, y más tarde los epicúreos, al avanzar el atomismo, sentaron las bases para la teoría atómica posterior. Hasta que la prueba experimental de los átomos se proporcionó más tarde en el siglo XX, la teoría atómica fue impulsada en gran medida por consideraciones filosóficas e intuición científica.

El filósofo griego Parménides del siglo V aC, utiliza el razonamiento verbal para postular que un vacío, esencialmente lo que ahora se conoce como vacío, en la naturaleza no podría ocurrir. Esta opinión fue apoyada por los argumentos de Aristóteles, pero fue criticada por Leucipo y Héroe de Alejandría. Desde la antigüedad hasta la Edad Media, se presentaron varios argumentos para probar o desaprobar la existencia de un vacío y se hicieron varios intentos para construir un vacío, pero todos resultaron infructuosos.

Los científicos europeos Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei y Santorio Santorio en los siglos 16 y 17 pudieron medir la relativa "frialdad" o "calor" del aire, utilizando un termómetro de aire rudimentario.

En 1643, Galileo Galilei creía que el aborrecimiento del vacío de la naturaleza es limitado. Las bombas que operan en minas ya habían demostrado que la naturaleza solo llenaría un vacío con agua hasta una altura de ~ 30 pies. Conociendo este curioso hecho, Galileo alentó a su antiguo alumno Evangelista Torricelli a investigar estas supuestas limitaciones.

Teoría atómica

La teoría atómica es una teoría física que supone que todo en el mundo consiste en las partículas más pequeñas: átomos, unidos entre sí por fuerzas nucleares y eléctricas. En el siglo XX, se demostró en la práctica que un átomo puede dividirse en partículas subatómicas aún más pequeñas.

La termodinámica como ciencia

El físico y químico irlandés Robert Boyle en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Al usar esta bomba, Boyle y Hooke notaron la correlación presión-volumen: PV = constante. En ese tiempo, se suponía que el aire era un sistema de partículas inmóviles, y no se interpretaba como un sistema de moléculas en movimiento.

El concepto de movimiento térmico surgió dos siglos después. Más tarde, después de la invención del termómetro, la temperatura de la propiedad podría cuantificarse. Esta herramienta le dio a Gay-Lussac la oportunidad de derivar su ley, que condujo poco después a la ley de los gases ideales. Pero, ya antes del establecimiento de la ley de los gases ideales, un asociado de Boyle llamado Denis Papin construyó en 1679 un digestor óseo, que es un recipiente cerrado con una tapa bien ajustada que confina el vapor hasta que se genera una alta presión.

Máquina de vapor

Los diseños posteriores implementaron una válvula de liberación de vapor para evitar que la máquina explote. Al observar cómo la válvula se movía rítmicamente hacia arriba y hacia abajo, Papin concibió la idea de un motor de pistón y cilindro, un motor alternativo.

Sin embargo, en 1697, basado en los diseños de Papin, el ingeniero Thomas Savery construyó el primer motor de vapor. Aunque estos primeros motores eran crudos e ineficientes, atrajeron la atención de los principales científicos de la época. Uno de esos científicos fue Sadi Carnot, el padre de la termodinámica, quien en 1824 publicó Reflexiones sobre el poder motriz del fuego, un discurso sobre el calor, la potencia y la eficiencia del motor. Esto marca el comienzo de la termodinámica como ciencia moderna.

En los años siguientes, se construyeron más variaciones de motores de vapor, como el Newcomen Engine y más tarde el Watt Engine. Con el tiempo, estos primeros motores eventualmente se utilizarían en lugar de caballos. Por lo tanto, cada motor comenzó a asociarse con una cierta cantidad de "potencia de caballo" dependiendo de cuántos caballos había reemplazado. El principal problema con estos primeros motores fue que eran lentos y torpes, convirtiendo menos del 2% del combustible fósil de entrada, generalmente carbón, en trabajo útil. De ahí nació la necesidad de una nueva ciencia de la dinámica del motor.

Evolución historia de la termodinámica hasta el momento actual

La historia de la termodinámica marca sus inicios en 1824. Fue Sadi Carnot, en 1824, el primero en demostrar que se puede obtener trabajo del intercambio de calor entre dos fuentes a diferentes temperaturas. A través del teorema de Carnot y la máquina ideal de Carnot (basada en el ciclo de Carnot) cuantificó este trabajo e introdujo el concepto de eficiencia termodinámica.

En 1848, Lord Kelvin, utilizando la máquina de Carnot, introdujo el concepto de temperatura termodinámica efectiva y es responsable de una declaración del segundo principio de la termodinámica.

En 1850 James Prescott Joule demostró la igualdad de las dos formas de energía (entonces se creía que el líquido calórico todavía existía).

Habiendo llegado a esto, se planteó el problema de que, si fuera posible obtener el calor total del trabajo, no hubiera sido posible obtener el inverso. Este resultado también aterrizó Clausius que en 1855 presenta su desigualdad para reconocer procesos reversibles de las irreversible y estado de la función de la entropía.

En 1876 Willard Gibbs publicó el tratado "Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas" (Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas) que mostraba cómo un proceso termodinámico podría representarse gráficamente y cómo estudiar de esta manera la energía, la entropía, el volumen, la temperatura y la presión podrían preverse la eventual espontaneidad del proceso considerado.

El caso de la termodinámica es emblemático en la historia y en ' la epistemología de la ciencia: es uno de esos casos en los que la práctica ha sido pionero en la teoría misma: la primera está diseñada para la máquina de vapor, a continuación, se sistematizó su funcionamiento teórico a través de sus principios básicos.

Relación de la termodinámica con la energía solar

La historia de la termodinámica tiene un papel fundamental en el campo de la energía solar y concretamente en la energía solar térmica. El aprovechamiento de la radiación solar para obtener calor se empezó a utilizar en la antigüedad. Las culturas primitivas la utilizaban sin tener consciencia de ello.

Más adelante, diferentes civilizaciones han desarrollado su arquitectura para aprovechar el calor solar de una forma eficiente, como se detalla en la historia de la energía solar. Se trata de lo que en la actualidad se llama energía solar pasiva.

Alrededor de 1767, Horace Bénédict De Saussure había inventado el colector solar. Este nuevo colector solar tubo una determinante repercusión en la historia de la energía solar y en el desarrollo de la energía solar térmica de baja temperatura. El colector solar se aprovecha de la física termodinámica para realizar transferencias de calor y transformaciones termodinámicas.

De esta forma, las leyes de la termodinámica empezaron a tener un papel fundamental en el desarrollo de las energías renovables, concretamente de la energía solar.

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Última revisión: 10 de octubre de 2019