Fundamentos Importantes de la Termodinámica

La respuesta a esta pregunta puede tener al menos dos enfoques. El primero de ellos está basado en la utilidad y el segundo en la belleza de las concepciones empleadas. Justificar la utilidad es una tarea más fácil, justificar la belleza es algo más complicado, teniendo en cuenta que hay un componente subjetivo en la apreciación de ésta.

Estamos rodeados de creaciones técnicas que hubiesen sido imposibles sin el empleo de la termodinámica. Por ejemplo el automóvil, el refrigerador, el termo, el motor de combustión interna, las turbinas, la plancha, los calentadores solares, la calefacción, el aire acondicionado, termómetros y muchísimas otras invenciones que de una manera u otra emplean el conocimiento aportado por la termodinámica.

Por otra parte la explicación de muchos fenómenos de la naturaleza está basada en el estudio de las leyes de la termodinámica. Por ejemplo, la termodinámica está presente en el denominado efecto invernadero que causa el calentamiento global de la tierra, la capa de inversión térmica que provoca que las ciudades en ciertos días invernales incremente sus niveles de contaminación, o en las respuestas a preguntas tales como: ¿por qué en una playa durante la mañana sentimos la brisa que proviene del mar y durante la noche el viento viene de la tierra?, ¿por qué el aire se enfría al incrementarse la altura, por qué el calor pasa de los cuerpos más calientes a los más fríos y no viceversa?, ¿por qué sentimos una moneda más fría que un pedazo de madera a pesar de que ambos se encuentran a la misma temperatura?, ¿por qué el aire caliente asciende?, etc. 

El conocimiento de la termodinámica puede ser vital para un ingeniero o un arquitecto. Efectivamente el correcto manejo de los conceptos de convección de los gases y del aislamiento térmico en el diseño de la evacuación de gases en los edificios evitaría la acumulación de gases tóxicos, producto de la combustión de los calefón, con la consiguiente prevención de accidentes fatales. El empleo del concepto de conductividad térmica le permite al ingeniero elegir los materiales adecuados para la construcción de viviendas. El tener en cuenta las propiedades de dilatación de los cuerpos, permite asegurar que no ocurran deformaciones de las estructuras que dañen irremediablemente obras tales como puentes, carreteras, rieles de trenes etc.

El establecimiento de la termodinámica como una de las ramas más lograda de la ciencia y con un alto nivel de aplicabilidad, es el resultado de una larga historia de trabajo, invenciones y experimentaciones de muchos científicos.Desde los tiempos de la Grecia antigua, la naturaleza del calor intrigó a los hombres de ciencia. El poder comprender esta naturaleza tuvo una dramática historia, íntimamente ligada al desarrollo de la propia termodinámica. Las primeras ideas sobre la interpretación del calor fueron esbozadas por los griegos, entre ellos Demócrito, Epicuro y Lucrecio. Para ellos el calor era una especie de sustancia.El nombre “calórico” fue introducido por el químico Lavoisier en su “Traité élémentaire de chimie” en el año 1789.

En el siglo XVII el calor era visto como una forma de movimiento. Algunos destacados científicos se habían acercado considerablemente a la explicación de la naturaleza del calor, asociándolo al movimiento desordenado de las moléculas. Sin embargo durante el siglo XVIII esta explicación correcta fue abandonada y retomada la idea errónea sobre el calor como una forma de materia, que pasaba de los cuerpos más calientes a los más fríos.En 1738 la Academia de Ciencia Francesa ofreció un premio a quien lograra dar una explicación sobre la naturaleza del calor. En esa ocasión venció la teoría del calor como una clase de materia. Entre los ganadores se encontraba el gran científico alemán Leonard Euler.

Este hecho es una magnifica ilustración de que el paso de la ciencia no siempre es directo y las “nuevas” ideas, en ciertos casos, representan una involución en lugar de una evolución del conocimiento.La verdadera explicación de los fenómenos calóricos tuvo que esperar el desarrollo de los primeros principios de la termodinámica y la teoría estadística fundada en el siglo XIX. Sin embargo la experiencia acumulada por científicos como Robert Boyle (1627 - 1761) y Edme Mariotte (1620- 1684) en la teoría de los gases, Gabriel Daniel Fahrenheit (1686 - 1736) en la construcción de termómetros meteorológicos, el escocés James Watt(1736- 1819) quien mejoró notoriamente el motor de vapor, John Dalton(1766 -1844) quien investigó la expansión de los gases y después se convirtió en el fundador de la teoría atómica y muchos otros, fueron dando forma a la actual ciencia que hoy conocemos como termodinámica.La ciencia de la termodinámica tuvo su origen en los intentos de determinar matemáticamente cuánto trabajo útil podía obtenerse a partir de un motor de vapor. James Watt hizo importantes aportes en este sentido, haciendo que el pistón de una máquina de vapor se moviera bajo la acción del vapor mismo y no por el uso de gas comprimido como se hacía antes. Durante sus experimentos era asistido por Joseph Black, (1728 - 1799) el descubridor del calor latente. Este último junto a Pierre Simon Laplace (1749 - 1827) determinaron los calores específicos de un número de sustancias y establecieron las bases de la actual calorimetría.

El primer y gran impulso en expresar de manera matemática el estudio de las máquinas fue desarrollado por Nicolás Leonard Sadi Carnot (1796 - 1832), quien en 1824 introdujo la idea de las Transformaciones Cíclicas. También obtuvo notables resultados con el denominado Principio de Reversibilidad. Asumiendo la imposibilidad de la existencia del móvil perpetuo, él concluyó que no puede haberuna máquina con mayor rendimiento que aquella que trabaje con procesos reversibles. La importancia de los trabajos de Carnot fue reconocida cuando William Thomson (más conocido como Lord Kelvin) demostró que el principio cíclico de Carnot conduce al concepto de escala absoluta de temperatura.

En febrero de 1850 Rudolph Clausius (1822 - 1888) comunicó a la Academia de Berlín, a través de un artículo, lo que sería el prototipo de la segunda ley de la termodinámica “ El calor no puede por sí solo pasar de un cuerpo más frío a otro más caliente”. 

En el mismo mes William John M. Ranking (1820 - 1872), profesor de la escuela de ingeniería de Glasgow, lee ante la Royal Society of Edinburg un artículo donde declaraba que el calor consiste en el movimiento rotacional de las moléculas y llega mediante esta idea a los resultados obtenidos por Clausius. En marzo de 1851 aparece un artículo de William Thomson que contenía la primera prueba rigurosa de la segunda ley de la termodinámica.La teoría estadística de la termodinámica fue desarrollada en los trabajos pioneros de James Clerc Maxwell (1831 - 1879), Ludwig Boltzmann(1844 - 1906) y Josiah Willard Gibbs (1839 - 1903). Lostrabajos de estos científicos mostraron que revertir los fenómenos denominados irreversibles no es imposible sino que simplemente improbable. De este modo, la segunda ley de la termodinámica no es absoluta sino que simplemente es una ley altamente probable.

Si la Primera Ley de la Termodinámica indica cuales fenómenos y procesos pueden o no ocurrir de acuerdo con el balance energético (conservación de la energía), la Segunda Ley de la Termodinámica muestra la dirección en que estos ocurren. Lo mostrado por Boltzmann, con su trabajo, es que los sistemas termodinámicos con una gran probabilidad siguen un determinado patrón de comportamiento caracterizado por el incremento o conservación de la entropía, aunque no es imposible del todo que ocurra lo contrario. De hecho el surgimiento de la vida está basado precisamente en esta posibilidad de que ocurra lo contrario, es decir, la disminución de la entropía o del grado de desorden.La idea de que la segunda ley de la termodinámica solo tiene un carácter probabilístico es especialmente útil cuando se establece que el universo como sistema termodinámico evolucionaría hacia el incremento de la entropía y por tanto hacia la denominada muerte térmica. Este hecho contradice las observaciones astronómicas que muestran una evolución del universo hacia la formación de estructuras ordenadas como galaxias, nebulosas, sistemas planetarios, etc. y no hacia la muerte térmica o total desorden.

Tipos de Instrumentos de Medición.

Un instrumento de medición es aquel elemento empleado con el propósito de contrastar magnitudes físicas distintas a través de un procedimiento de medición.

Se clasifican de acuerdo a la magnitud física que se desee medir:

Instrumentos desarrollados para medir la masa:

BALANZA: es un tipo de palanca constituida por brazos análogos, la cual a través del equilibrio obtenido entre pesos de dos elementos permite la medición de masas.

CATARÓMETRO: con este término se designa al instrumento capaz de medir ciertas concentraciones de gas, teniendo en cuenta una comparación de la conductividad térmica.

BÁSCULA: la palabra proviene del francés bascule y se refiere a un dispositivo empleado para estipular la masa de un cuerpo. Suelen constituirse por una base en posición horizontal, en la cual se ubica el cuerpo a pesar. Gracias a este sistema, es posible establecer el peso de elementos de gran magnitud de manera sencilla.

Instrumentos utilizados para medir el tiempo:

CALENDARIO: consiste en un elemento creado con el propósito de llevar una contabilización del tiempo. La mayor parte de éstos se llaman calendarios solares. Esto es porque toman como referencia el período empleado por la tierra para dar una  vuelta alrededor del sol.

CRONÓMETRO: es un elemento ubicado dentro de las categorías de los relojes cuyo objetivo consiste en la medición de fracciones mínimas de tiempo.

RELOJ: el término se refiere al elemento capaz de medir el tiempo, por medio de la división del mismo en horas, minutos y segundos.

DATACIÓN RADIOMÉTRICA: a través de esta proceso es posible fijar con exactitud la edad de los minerales, rocas, etc. consiste en la realización de un análisis tanto de un isótopo padre como un hijo, cuya vida media es conocida. Un ejemplo de este procedimiento es la datación por radiocarbono, llevada a cabo a partir de la desintegración del carbono 14.

Instrumentos empleados para la medición de longitud:

CINTA MÉTRICA: a través de la misma es posible la medición de una superficie determinada. Se basa en una cinta graduada y de gran maleabilidad, lo cual permite medir áreas formadas por curvas.

CALIBRADOR: este instrumento se emplea con el fin de medir extensiones de aquellos elementos de tamaño reducido. Otorga la posibilidad de apreciar tanto centímetros como unidades milimétricas.

REGLA GRADUADA: este instrumento de forma rectangular y plana, formado por una escala de graduación dividida en una determinada unidad de longitud, permite la medición de longitudes.

ODÓMETRO: la palabra deviene del griego y significa camino-medida. A través del odómetro se revela la distancia del trayecto realizado por un vehículo determinado.

MICRÓMETRO O PALMER: el micrómetro consta de un tornillo de carácter micrométrico a partir del cual es posible la estimación precia de la dimensión de un elemento. El rango incluye unidades milimétricas y de milésima de milímetro.

INTERFERÓMETRO: con este término se designa a aquel instrumento capaz de aprovechar la interferencia de ondas de luz, con el objetivo de medir longitudes de onda de manera exacta.

Instrumentos que permiten la medición de la velocidad:

VELOCÍMETRO: el velocímetro es un dispositivo cuyo objetivo es la medición de la rapidez llevada a cabo por un vehículo.

ANEMÓMETRO: con este nombre se designa al aparato capaz de medir la velocidad del viento, y de esta manera predecir el tiempo.

Para la medición de temperatura:

TERMÓMETRO: este instrumento se emplea para conocer la temperatura de un cuerpo determinado. A pesar de que las escalas utilizadas son variadas, la más divulgada es la de grados Celsius, en la cual el cero alude al punto de congelación y los cien grados centígrados hacen referencia el punto de ebullición del agua.

PIRÓMETRO: a través del pirómetro es posible tener conocimiento acerca de  la temperatura de una sustancia, con la ventaja de que no es necesario establecer contacto con la misma. Suelen medir temperaturas que superan los 500 grado Celsius.

 

Para medir presión los instrumentos son:

BARÓMETRO: el barómetro es un dispositivo capaz de medir la presión atmosférica. La misma corresponde a la presión ejecutada por  el aire sobre la atmósfera.

MANÓMETRO: por medio del manómetro es posible medir la presión de un líquido ubicado en un  recipiente cerrado.