ORÍGENES DE LA TERMODINÁMICA

ORÍGENES DE LA TERMODINÁMICA

El ingeniero francés Sadi Carnot (1796-1832) es el fundador de la Termodinámica como disciplina teórica, escribió su trabajo cumbre a los 23 años. Este escrito estuvo desconocido durante 25 años hasta que el físico ingles William Thomson alias Lord Kelvin (1824-1907) redescubriera la importancia de las propuestas contenidas en él. Llamó la atención de Carnot el hecho de que no existieran teorías que avalaran las propuestas utilizadas en el diseño de las máquinas de vapor y que todo ello dependiera de procedimientos enteramente empíricos. Para resolver la cuestión propuso que se estudiara todo el procedimiento desde el punto de vista más general, sin hacer referencia a un motor, máquina o fluido en especial.

Posteriormente el físico alemán Rudolf Clausius (1822-1888) y Kelvin, fundadores de la Termodinámica Teórica, ubicaron el Principio de Carnot dentro de una rigurosa teoría científica estableciendo un nuevo concepto, el Segundo Principio de la Termodinámica. En esta época todavía tenía vigencia la Teoría del Calórico, no obstante ya estaba germinando la idea de que esa hipótesis no era la adecuada, en el marco de las sociedades científicas.

El físico inglés James Prescot Joule (1818-1889) se convenció rápidamente de que el trabajo y el calor eran diferentes manifestaciones de una misma cosa. Su experiencia mas recordada es aquella en que logra medir la equivalencia entre el trabajo mecánico y la cantidad de calor (concepto que veremos mas adelante no es correcto). Joule se valió para esta experiencia de un sistema de hélices que agitaban el agua por un movimiento producido por una serie de contrapesos que permitían medir la energía mecánica puesta en juego.

A partir de las investigaciones de Joule se comenzó a debilitar la teoría del calórico, en especial en base a los trabajos de Kelvin quien junto a Clausius terminaron de establecer las Bases Teóricas de la Termodinámica como disciplina independiente. En el año 1850 Clausius descubrió la existencia de la Entropía y enunció el Segundo Principio de la Termodinámica.

En 1851 Kelvin publicó un trabajo en el que compatibilizaba los estudios de Carnot, basados en el calórico, con las conclusiones de Joule, el calor es una forma de energía, compartió las investigaciones de Clausius, derrotaron juntos la Teoría del Calórico y reclamó para sí el postulado del Segundo Principio de la Termodinámica.

Hoy se ha llegado a un interesante perfeccionamiento de las máquinas térmicas, sobre una teoría basada en las investigaciones de Clausius, Kelvin y Carnot, cuyos principios están todavía en vigencia, la variedad de máquinas térmicas va desde las grandes calderas de las centrales nucleares hasta los motores cohete que impulsan los satélites artificiales, pasando por el motor endotérmico, las turbinas de gas, las turbinas de vapor y los motores de retropropulsión. Por otra parte la Termodinámica como ciencia actúa dentro de otras disciplinas como la química, la biología, etc.

Gracias a Clausius y Kelvin se convierte a la Termodinámica en una ciencia independiente de alto contenido teórico y matemático, lo que logra entender los fenómenos que se desarrollaban y fundamentar progresos tecnológicos.

1.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES

La Termodinámica es la ciencia que describe y relaciona las propiedades físicas de Sistemas Macroscópicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable) de materia y energía. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante variables termodinámicas o variables de estado, propiedades mensurables (que pueden ser medidas) como la Temperatura (T), la Presión (P) o el Volumen (V). Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar una transformación o proceso termodinámico.

El Sistema Termodinámico más simple se compone de una masa fija de un fluido (un gas o un líquido) isotrópico puro (iguales propiedades en todas direcciones) no influenciado por reacciones químicas o campos externos. Tales sistemas se caracterizan por las tres variables de estado, a las que llamaremos PVT.

La Termodinámica denomina SISTEMA a la parte del Universo Termodinámico (U) cuyas modificaciones e interacciones con el resto del mismo nos interesa estudiar. Este puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc. Se denomina MEDIO al resto del Universo Termodinámico que no pertenece al sistema. El sistema se encuentra separado del medio por medio de una envoltura imaginaria a la que denominaremos FRONTERA, la cual puede suponerse tiene propiedades especiales que sirven para:

1º) Aislar el sistema de su entorno

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