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Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine (Edimburgo, 5 de julio de 1820 - Glasgow, 24 de diciembre de 1872 ) fue un ingeniero y físico escocés. Tenía intereses muy diferentes; en su juventud se interesó por la botánica, la teoría de la música y la teoría de números y en sus últimos años en matemáticas y tecnología.

Junto con Rudolf Clausius y William Thomson, se cuenta entre los fundadores de la termodinámica. También desarrolló la teoría detrás de la máquina de vapor, introdujo conceptos como la energía cinética y potencial, e investigó las ondas de choque y la fatiga del metal. Una escala de temperatura lleva el nombre de William Rankine, conocida como la escala de Rankine.

Vida de William John Macquorn Rankine

Rankine era el hijo del soldado profesional y más tarde el ingeniero civil David Rankine y la hija del banquero Barbara Grahame de Glasgow. Era el segundo hijo, pero su hermano mayor murió a una edad temprana. Debido a su mala salud, se le enseñó principalmente en casa. Asistió a la escuela secundaria en Ayr y Glasgow solo unos pocos años después de que la familia se mudó allí en 1830. En su juventud, tenía un gran interés en la música y las matemáticas. Después de leer, a la edad de catorce años, la obra más grande de Isaac Newton, Principia Mathematica (1687) en latín, se interesó en ella física.

A los dieciséis años, en 1836, comenzó a estudiar ciencias naturales en la Universidad de Edimburgo, donde se le enseñó, entre otras cosas, filosofía natural con James David Forbes y en historia natural con Robert Jameson. En ese momento, también leyó mucho trabajo de filósofos de la Ilustración escocesa. En la universidad recibió dos premios por ensayos sobre métodos de investigación física y sobre la teoría ondulatoria de la luz, pero no completó el curso.

En 1838 dejó la universidad y se convirtió en asistente del ingeniero civil irlandés John Benjamin MacNeill. Trabajó aquí en el diseño de ferrocarriles, la construcción de puertos y la construcción de alcantarillado. Al mismo tiempo, comenzó a escribir artículos que fueron publicados, entre otros, por la "Institución de Ingenieros Civiles" británica. En 1855 fue nombrado profesor de Ingeniería Civil e Ingeniería Mecánica en la Universidad de Glasgow.

Rankine se convirtió en miembro de la Royal Society of Edinburgh en 1849 y de la Royal Society en Londres en 1853. También fue miembro de la Royal Swedish Society of Sciences y de la American American Academy of Arts and Sciences. En 1857 fundó una rama escocesa de la "Institución de Ingenieros Civiles" y fue el primer presidente hasta 1870. En 1857, Rankine recibió un doctorado honorario del Trinity College en Dublín.

Rakine también era un músico talentoso y tocaba el cello, el piano y cantaba. También escribió poemas, que se publicaron póstumamente como obras recopiladas.

Importancia del trabajo de Rankine

Además de su trabajo como ingeniero civil, Rankine ha realizado diversas contribuciones a la ciencia. Escribió obras estándar de la mecánica, la teoría y la práctica de vapor, los principios de la ingeniería civil y mecánicos principios de construcción. Con esto hizo una importante contribución a la formalización de las ciencias técnicas, que en ese momento se convirtió en un ejemplo nacional e internacional de Europa a América y Japón.

Una característica especial de su trabajo fue que Rankine fue capaz de cerrar la brecha entre la práctica de ingeniería y la investigación científica. La ciencia en ese momento era principalmente pura y abstracta y los ingenieros desconfiaban de ella. En el espíritu de Francis Bacon y Thomas Reid, Rankine logró hacer que la investigación científica sea útil para practicar. Por ejemplo, ha realizado una importante contribución a la termodinámica con su investigación científica y la construcción de teorías. También se basó en el trabajo de Benoît Clapeyron, Sadi Carnot y JP Joule.

Investigación en ingeniería mecánica

En parte por sugerencia de su padre, que sabía mucho sobre los ferrocarriles, Rankine inicialmente se centró en la ingeniería mecánica. Su primera publicación, de 1842, se tituló "Una investigación experimental sobre la ventaja de las ruedas cilíndricas en los ferrocarriles". Al año siguiente presentó un artículo sobre la fatiga del metal que ocurrió en los ejes de las locomotoras. Mostró que las rupturas en los ejes surgieron por la degeneración progresiva, que la fatiga (cansancio mencionado). Este fenómeno se produjo principalmente con transiciones bruscas en la estructura, y aconsejó completar estas transiciones.

En el campo de la estática, ha desarrollado métodos para calcular la distribución de fuerzas en las estructuras de los edificios y ha realizado investigaciones sobre la estabilidad de los edificios. También estudió hidrodinámica y diseño de barcos.

El objeto de la física

Además de sus contribuciones a las ciencias técnicas, Rankine comenzó su investigación en ciencias naturales en el transcurso de los años 40 del siglo XIX. Rankine había estado fascinado por las máquinas de vapor desde una edad temprana, que había adquirido una nueva dimensión a través de su trabajo con los ferrocarriles. Buscó leyes fundamentales a través de experimentos con procesos termodinámicos. Rankine fue aún más lejos en sus pensamientos y filosofó sobre la naturaleza del universo y el objeto de la física. Por ejemplo, en 1852 declaró lo que luego se llamaría la ley de conservación de la energía:

"La evidencia experimental se está acumulando todos los días, o una ley que ha conjeturado que existe una pierna larga", todos los diferentes tipos de energía física en el universo son mutuamente convertibles, "que la cantidad total de energía física, ya sea en forma de El movimiento visible y la potencia mecánica, o de calor, luz, magnetismo, electricidad, o agencia química, o en otras formas aún no entendidas, son inmutablemente las transformaciones de sus diferentes porciones de una de esas formas de poder a otra, y su transferencia de una parte de la materia a otra, constituyendo los fenómenos que son los objetos de la física experimental".

Rankine vio una conexión entre la totalidad de los fenómenos físicos del movimiento visible y la energía mecánica, calor, luz, magnetismo, electricidad y energía química. Más tarde resolvió la idea de la intercambiabilidad de todas estas formas de energía y las leyes que subyacen a esto en su teoría sobre la energía. Para hacer discutible este conjunto de fenómenos físicos, se le ocurrió una hipótesis de vértebras moleculares para describir la estructura molecular de la materia. El nombre del ciclo de Rakine debe su nombre al físico escocés.

Hipótesis de vértebras moleculares

Una suposición central en el trabajo científico de Rankine fue su hipótesis de las vértebras moleculares (remolinos a escala molecular), también llamada " teoría centrífuga de la elasticidad ". Según esta hipótesis, toda la materia consistía en moléculas formadas por núcleos atómicos rodeados por una atmósfera elástica, que se mantenía en su lugar mediante fuerzas atractivas. Rankine además se aproximó a que el calor era una especie de vibración de la atmósfera que giraba alrededor del núcleo atómico y la luz era, de hecho, una vibración que surgió del movimiento de los núcleos atómicos y se propagó aún más gracias a la atracción y repulsión mutua de estos núcleos. Rankine atribuyó propiedades mecánicas a la atmósfera misma. Según él, el vínculo entre la luz y el calor estaba en la transición del movimiento de la atmósfera a los núcleos atómicos.

Esta hipótesis le ofreció un modelo para su teoría sobre la luz y el calor. Explicó la doble refracción de la luz como la transferencia de movimiento de la atmósfera a los núcleos atómicos y viceversa. También vino de esta hipótesis a sus comparaciones sobre gas y calor. Dio un paso más y trabajó en una teoría general de la acción mecánica que podría generar calor. Él demostró que cierta cantidad de calor desapareció y llegó a su propia formulación de la segunda ley de la termodinámica. Esta hipótesis no jugó un papel en la teoría de las máquinas de vapor de Rankine, pero sí regresó en la teoría de la energía de Rankine que sería importante en la insdústria de las centrales térmicas y de la energía solar térmica.

Esta hipótesis tuvo cierta influencia en el momento. James Clerk Maxwell, por ejemplo, la usó en su artículo "Sobre líneas físicas de fuerza" de 1861. Supuso que las líneas magnéticas de fuerza en una sustancia eran transportadas por un mar de vértebras moleculares, que consisten en parte en éter y en parte en materia ordinaria.

Teoría y efectos de la termodinámica

Según su hipótesis de las vértebras moleculares en 1849, había encontrado la conexión entre la presión de vapor saturado y la temperatura. Al año siguiente encontró algunas conexiones entre las cantidades de temperatura, presión y densidad de gas y describió el calor latente tras la evaporación de un líquido. Rankine predijo correctamente que el calor específico del vapor saturado sería negativo.

Rankine ha hecho una contribución importante a la comprensión elemental en el campo teórico. Por ejemplo, introdujo el nombre de "energía" para la cantidad física fundamental que antes se conocía como "fuerza vital". También fue el primero en describir la transferencia de energía en máquinas de vapor, por ejemplo, como una conversión de calor en energía cinética.

Rankine declaró sobre la base de su propia teoría que la máxima eficiencia de los motores térmicos dependería únicamente de las fluctuaciones de temperatura a las que estos motores están sujetos durante la operación. El prusiano Rudolf Clausius desarrolló el proceso Carnot basado en las ideas de Rankine. El trabajo de Rankine en el campo de la termodinámica fue retomado por James Clerk Maxwell.

Rankine reformuló más tarde los resultados de su propia teoría sobre los movimientos de moléculas con energía y transformación de energía. Afirmó que la energía efectiva (energía real ) en los procesos dinámicos se perdió y fue reemplazada por energía potencial, una idea que se había conocido de alguna forma como la ley de conservación de energía durante algún tiempo.

En 1859, Rankine propuso su escala Rankine para medir temperaturas absolutas.

Energética

En el artículo "Esquemas de la ciencia de la energía" de 1855, Rankine intervino en el debate científico-filosófico sobre el método deductivo e inductivo para adquirir conocimiento y el papel de la hipótesis en esto. Rankine opinó que la hipótesis, a la que llamó teoría hipotética, era solo un paso intermedio necesario para simplificar la consideración de los fenómenos. Esto permitió llegar a una formulación de una teoría abstracta que puede postularse mediante inducción.

Siguiendo su hipótesis de las vértebras moleculares y su efecto sobre la termodinámica, Rankine presentó una nueva teoría en la que la dinámica se trataba sobre la base de la energía y la transformación de la energía en lugar de la fuerza y ​​el movimiento. Con esto, trajo todas las fuerzas de la naturaleza conocidas en ese momento a una teoría universal: una teoría de la ley general, que regula toda transformación de energía. Lo llamó la ciencia de la energía. Esta teoría fue mencionada a menudo especialmente en la segunda mitad del siglo XIX y formó un ejemplo para más especulaciones sobre esto por parte de Ernst Mach y Wilhelm Ostwald, entre otros.

Física matemática

Con contribuciones a la teoría de la elasticidad y de las ondas, Rankine ha hecho una contribución importante al desarrollo de la física matemática.

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Fecha publicación: 26 de febrero de 2020
Última revisión: 26 de febrero de 2020