INTRODUCCIÓN
Hemos de hacer un viaje a finales del siglo XVII y contemplar como el desarrollo de la máquina de vapor supuso un cambio tecnológico, económico y social sin precedentes. Curiosamente, los ingenieros de la época fueron perfeccionando las máquinas de vapor, haciéndolas cada vez más eficientes pero, nadie sabía a ciencia cierta qué principios físicos se daban en este tipo de máquinas e incluso, no se tenía muy claro el concepto de calor. A mediados del siglo XIX, algunas de estas preguntas encontraron respuestas que, a día de hoy, son tomadas como verdades absolutas gracias a científicos como James Prescott Joule y William Thompson quienes algunos autores denominan, de una manera un tanto poética, como los descubridores de la energía.
A lo largo de las siguientes líneas se va a profundizar un poco en lo que he decidido denominar como “breve historia de la termodinámica”.
EL “MISTERIO” DEL CALOR
Pero bien, ¿qué es calor? Fueron dos los grandes paradigmas que coexistieron durante algún tiempo. Por un lado, teníamos a aquellos científicos que pensaban que eran las pequeñas partículas que componían la materia en movimiento y, por otro lado, se encontraban aquellos científicos que seguían la teoría de la electricidad (siglo XVIII), los cuales, imaginaban el calor como un “líquido imponderable” de forma similar a cómo se veía la electricidad en aquella época. No obstante, a finales del siglo XVIII, Joseph Black, un médico, físico y químico de reconocido prestigio en Escocia descubrió, con la ayuda del recién inventado termómetro, que se podía medir la temperatura de un cuerpo pero no el calor efectivamente aportado al mismo (esto pasa por ejemplo, al derretir hielo ya que, el calor aportado queda “oculto” en gran medida pues si se coloca un termómetro junto a un bloque de hielo que se está calentando con el fin de derretirlo, la temperatura de dicho bloque sigue siendo de 0 ºC).
En 1780, Antonine-Laurent de Lavoisier y Pierre Simon Laplace, desarrollaron un calorímetro de hielo. Con este “artefacto” midieron el calor entregado por un cuerpo. En concreto, pudieron comprobar que un fragmento de cobre y otro de madera con igual masa y temperatura, derretían una cantidad diferente de hielo.
En esa misma época, el estadounidense Benjamin Thompson (citado frecuentemente como conde de Rumford, debido al título nobiliario que ostentaba) que se encontraba trabajando en Alemania, creyó descubrir qué era el calor. Afirmaba que el calor era el movimiento de las partículas minúsculas que componían la materia.
Temeroso de la propagación de la Revolución Francesa, el gobernador de Baviera encomendó a Thompson la supervisión de los cañones construidos para la defensa de las fronteras. En el proceso de taladrar el ánima de los cañones, Thompson observó que se producía un aumento de temperatura en la estructura del cañón, en las virutas metálicas y en el propio taladrador, de modo que parecía generarse calor continuamente en lugar de conservarse (como predecía la teoría del fluido calórico). Para intentar demostrar qué pasaba, llevó a cabo una serie de experimentos para medir el cambio de temperatura que ocurría al utilizar maquinaria rudimentaria desafilada en ese proceso de taladrado. En uno de dichos experimentos utilizó agua para refrigerar el taladrador y la estructura del cañón. El también conocido como conde de Rumford, midió el aumento de temperatura del agua y observó “el asombro que expresaban el público allí presente viendo que la gran cantidad de agua que podía hervir sin necesidad de emplear ningún fuego”. Su conclusión particular fue que el calor no podía ser una sustancia material, ya que parecía no tener límite. Más bien parecía que era el resultado del rozamiento o del trabajo realizado por las fuerzas aplicadas. No obstante, la “teoría del calor” de Benjamin Thompson no acababa de tener mucha aceptación en los círculos académicos de la época.
CALOR Y TRABAJO MECÁNICO
Años más tarde, ya metidos plenamente en el siglo XIX, James Prescott Joule, oriundo de Manchester (ciudad que en esa época era un referente mundial a nivel tecnológico) maravillado por la máquina de vapor, tuvo la oportunidad de estudiar una de ellas a fondo, ya que su familia, que se dedicaba a la industria de la cerveza, poseía una. Después de mucho tiempo estudiando dicha máquina, quedó ciertamente aburrido del tema. Es por ello que se sintió atraído por otro fenómeno físico: la producción de trabajo mecánico mediante magnetismo y electricidad.
Michael Faraday, había inventado en 1821 un motor eléctrico que serviría como prototipo para que se fuera mejorando en la industria años más tarde. Joule, descubrió que el motor de Faraday poco tenía que hacer, tanto desde el punto de vista económico como desde el punto de vista de la eficiencia en la producción, frente a la máquina de vapor existente a nivel industrial (consumía demasiado Zinc y líquido de batería). No obstante, Joule observó un fenómeno curioso: durante el funcionamiento del motor eléctrico, la batería y los conductores eléctricos sufrían un elevadísimo calentamiento. Esto le llevó a preguntarse si sería esa la causa del escaso rendimiento del motor. Esta duda condujo a Joule a llevar a cabo experimentos durante varios meses, consistentes básicamente en hacer pasar corriente eléctrica por alambres metálicos de diferente longitud, espesor y material. Simultáneamente, iba midiendo el calor producido y llegó a una conclusión muy interesante y que hoy conocemos como Ley de Joule: “el calor producido aumenta con la resistencia del conductor eléctrico, el cuadrado de la intensidad de la corriente y la duración de la circulación de la misma”.
Tras el descubrimiento de esta Ley, Joule siguió trabajando día y noche sobre la medición del calor en diferentes procesos. Un experimento sumamente curioso e importante en la historia de la ciencia, consistió en poner una rueda con paletas acopladas en un gran barreño con agua. Dicha rueda, se accionaba con intención de que girase en el agua gracias a unas pesas de plomo suspendidas por sogas y acopladas a una polea que se accionaba manualmente. El trabajo mecánico pues, era fácil de calcular sabiendo la altura a la que subían dichas pesas y la masa de las mismas. Posteriormente, se dejaba que las ruedas descendiesen, lo que generaba el movimiento de la rueda con paletas que, finalmente, provocaba un ascenso de temperatura del agua en el barreño. Lo que Joule pretendía era comparar el calor generado por el trabajo mecánico y el del agua. Esto no fue tarea sencilla con los instrumentos de la época y más teniendo en cuenta que la elevación de la temperatura del agua no había sido demasiado alta. En pocas palabras, se requería de una mayor precisión de la que le podía proporcionar su instrumental por lo diseñó y posteriormente encargó, termómetros muy precisos para tal fin. Finalmente logró establecer una relación precisa entre el trabajo realizado y la elevación de la temperatura, descubriendo así el equivalente mecánico del calor (una determinada cantidad de trabajo mecánico produce una determinada cantidad de calor). Debido a la importancia de este descubrimiento, en el año 1976 se decide cambiar el nombre de unidad de energía por el de Joule (Julio). Después de este descubrimiento Joule, se pondría en contacto con otros científicos de la época para compartir sus experiencias y las conclusiones derivadas de las mismas. Pero, al ser un investigador desconocido, su impacto fue nulo, dicho en otras palabras: no le prestaron atención. Aparte de esto, su tesis sobre cómo se generaba el calor, se oponía al paradigma imperante en la época.
No obstante, otro científico que estaba empezando, el escocés William Thomson, sí se vio atraído por las investigaciones de Joule. A diferencia de Joule, a Thompson, le precedía cierta fama debido a su posición como profesor de ciencias naturales en la universidad de Glasgow (puesto que logró a la temprana edad de 22 años). Thomson había estado siempre interesado en la historia del calor, de hecho, sus investigaciones se centraron durante mucho tiempo en la recopilación de textos manuscritos de un investigador francés: Nicolas Léonard Sadi Carnot.
En 1822, Carnot había publicado una teoría sobre la máquina de vapor. A Carnot le gustaba la idea de comparar la máquina de vapor con “la fuerza del agua”: al igual que el agua cae desde una determinada altura, impulsando una rueda de molino, en una máquina de vapor, el calor fluiría desde una temperatura mayor a otra menor además también planteó una analogía con la cantidad de agua y de calor ya que, así como la cantidad total de agua es la misma en el molino de agua, el calor en la máquina de vapor tampoco sufriría cambios. Carnot señaló que una determinada cantidad de calor absorbida, siempre tenía que volver a ser entregada después de realizar un trabajo mecánico. Es decir, la teoría de Carnot estaba basada en un circuito térmico cerrado en donde ya está presente el calor y, por tanto, no necesitaba ser producido.
Thomson, quien había estudiado con dedicación a Carnot, veía una contradicción con las ideas de Joule, pues este último había comprobado que el trabajo mecánico genera calor mientras que Carnot había presentado un circuito cerrado donde ya existía el calor. Fueron cuatro los años que dedicó Thomson a descubrir cuál de las dos teorías era la correcta. Después de esto concluyó que tanto Joule como Carnot, tenían razón, simplemente, había que ser capaz de vincular dichas teorías. Es así como Thomson desarrolló una nueva teoría del calor: la termodinámica. Para ello, partió de dos postulados fundamentales. El primero de estos postulados resumía las conclusiones de Joule: el calor no es más que una forma de energía que es generada por ejemplo, a través de trabajo mecánico. Dicho de otra manera: si contemplamos un sistema aislado, la energía contenida en él puede pasar de una forma a otra pero en su totalidad, no puede ni aumentar ni disminuir. Es lo que hoy en día conocemos como primer principio de la termodinámica (la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma). El segundo postulado recogía los resultados de Carnot y los interpretaba: el calor nunca puede ser transformado en su totalidad en trabajo mecánico, ya que una parte siempre queda sin usar. Por ejemplo, toda máquina térmica entrega una parte del calor que le es provisto en forma de “descarga de calor”, o sea, que las transformaciones no son equivalentes en ambos sentidos.
Otros científicos de la época llegarían a conclusiones análogas, entre ellos Rudolf Clasius y Julius Robert von Mayer. De hecho, en el caso de Clasius, ya había publicado algo en relación a lo que hoy conocemos como “primer principio”. Pero ninguno tuvo el “rigor” de Joule en cuanto a la experimentación ni la capacidad de Thomson para aunar diferentes teorías.
EVOLUCIÓN DE LA TERMODINÁMICA
Pero, después de este repaso histórico, seguimos sin saber cuál es la verdadera naturaleza del calor. Volvamos a la historia pues. Al principio, la termodinámica sólo se dedicaba a las magnitudes que se podían medir y las relaciones que guardaban entre ellas. Pues bien, en este aspecto, Joule había avanzado un poquito más lejos: retomó la idea del Conde de Rumford que decía que el calor no era más que el movimiento de las partículas en el interior de un cuerpo. Esa idea le obsesionó durante toda su vida pero, después de tantos estudios y los avances hechos por otros científicos, lo tenía claro: tenía que ser así. Varias décadas después, los científicos acabarían demostrando que tanto Rumford como Joule, tenían razón.
Joule y Thomson forjaron una profunda amistad teniendo la ciencia como nexo común. Realizaron numerosos experimentos. Uno de ellos consistía en intentar saber qué pasaba con la temperatura de un determinado gas en un recipiente, al modificar la presión sobre sobre él. Estos experimentos fueron apoyados por el Gobierno Británico, quién les financió en gran medida. Descubrieron lo que hoy se conoce como efecto Joule-Thomson. Este hace referencia al proceso en el cual la temperatura de un sistema disminuye o aumenta al permitir que el sistema se expanda libremente manteniendo la entalpía constante. Aunque este efecto, en sus experimentos, era muy pequeño, tendría gran importancia.
A finales del siglo XIX, Carl Von Linden, aplicó el efecto Joule-Thomson reiteradamente en un experimento, hasta conseguir llevar el aire a una temperatura tan baja, que se volvió líquido. Este procedimiento que a priori puede que no nos llame excesivamente la atención, se usa hoy en día para convertir en líquido diferentes gases y poder almacenarlos en tanques o botellas.
Las aportaciones de numerosos científicos pero, especialmente las de Thompson y Joule, fueron responsables de que hoy estemos estudiando la termodinámica como disciplina dentro de las ciencias físicas. Lamentablemente, ambos científicos no tuvieron el mismo final. Thomson, triunfó en el ámbito académico y recibió por parte de la reina, el título de Lord Kelvin mientras que Joule, pasó sus últimos años con una modesta pensión que también le concedió la Reina por sus descubrimientos.
TERMODINÁMICA HOY, ESTADO ACTUAL Y DESAFÍOS
En el año 2012 un ingeniero venezolano llamado Luís Solórzano afirmaba haber inventado un motor de energía ilimitada, rompiendo así con la segunda ley de la termodinámica. Realmente, en sus experimentos en su laboratorio de Miami, aseguraba que la segunda ley de la termodinámica, funciona en la mayoría de los sistemas, pero no en todos, es por ello que no puede denominarse ley. Y la prueba que aportaba era su turbina térmica de perfiles. Sin entrar a analizar el funcionamiento del motor, Solorzano afirmaba que: la energía cinética que es capaz de producir su motor, era 10 veces mayor que la energía eólica utilizada para mover las palas que lo ponían en funcionamiento. No obstante, las investigaciones y el rechazo a patentar el invento en EEUU, hacen pensar que todo haya sido un timo para intentar “colocar” en el mercado industrial dicho dispositivo.
Algo parecido pasa con el motor EmDrive que ha desarrollado recientemente la NASA, pero este artículo no es lo suficientemente extenso para tratar el tema con profundidad. Sin embargo, en el caso de este motor, poca gente se atreve a afirmar que la NASA intente engañar a nadie. Teorías como el vacío cuántico o errores en la medición son las que se están intentando aplicar para entender el funcionamiento de dicho dispositivo.
En el año 2014, Jan Gieseler, Romain Quidant, Christoph Dellago, Lukas Novotny publicaron un artículo en que se afirmaba haber descubierto que una nanopartícula situada en una cavidad ultravacía era capaz de violar temporalmente la segunda ley de la termodinámica mientras se encontraba atrapada en un haz de luz láser. Los autores afirman, en concreto que mediante un sistema paramétrico realimentado se puede enfriar la nanopartícula atrapada. Al cortar la realimentación, la partícula vuelve al estado de equilibrio (se calienta). Sin embargo, durante este proceso su temperatura sigue un camino aleatorio, con fluctuaciones estadísticas. Algunas implican la transferencia de calor de la nanopartícula fría hacia el medio más caliente. El artículo parece ser totalmente cierto y abre las puertas a una comprensión de la termodinámica que debe incluir nuevos fenómenos, ¿quizás alguno de naturaleza cuántica? El tiempo acabará explicándolo.
Cabe destacar también la extraña relación entre la Termodinámica y el Universo: ¿se cumplen las leyes en él? En los años setenta del pasado siglo, los físicos Stephen Hawking y Jacob Bekenstein se dieron cuenta de una extraña propiedad de los agujeros negros: descubrieron que la entropía de estos objetos era proporcional al área del horizonte de sucesos, no así al volumen de su interior. Este artículo explicado para profanos en la materia, en la revista Scientific American, nos viene a decir que el resultado de las conclusiones de estos científicos era muy llamativo ya que, en general, la entropía de un sistema físico cuantifica nuestro grado de ignorancia sobre sus detalles microscópicos. Por tanto, en el caso de un agujero negro, cabría esperar que la entropía fuese proporcional a todo el volumen al que un observador externo no tiene acceso, no a la superficie que lo rodea. De hecho, así ocurre con todos los sistemas termodinámicos ordinarios: en un gas, por ejemplo, la entropía es siempre proporcional al volumen que ocupa, no a la superficie que rodea a dicho volumen. ¿Por qué esto es diferente en el caso de los agujeros negros?
Lo que está claro es que la termodinámica, como disciplina afín a las ciencias físicas y a la química, no se puede tratar como algo absolutamente aislado de las mismas. Relatividad, física cuántica y física de partículas nos pueden abrir el camino a una nueva termodinámica. Esto genera numerosas cuestiones, a día de hoy sin respuesta: ¿nos encontramos ya ante un nuevo paradigma científico? ¿A dónde nos conducirá? ¿Qué implicaciones económicas y sociales se derivarán de esta nueva física?…
BIBLIOGRAFÍA
Bryson, Bill (2006): “Una breve historia de casi todo”. Primera edición. Editorial Océano.
Typler, Paul A. & Mosca, Gene (2010): “Física para la Ciencia y la Tecnología”. Sexta Edición. Editorial Reverté.
Revista Investigación y Ciencia, número especial (2016): “Fronteras de la Física Cuántica”.
http://es.gizmodo.com/la-nasa-reconoce-que-el-motor-imposible-emdrive-funcion-1789206658
Autor de la entrada: Antonio José Lobato Alejano (Alumno del Grado en Ingeniería de Organización Industrial)
