Potencia Motriz

I. LOS INICIOS DE LA TERMODINÁMICA

Sadi Carnot no publicó sino una sola obra en su vida, las Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego (París, 1824), a semejanza de Copérnico, explicó el trabajo de toda su vida en un solo libro.

Carnot fundó un dominio de estudio enteramente nuevo —la termodinámica— que debía ser importante tanto para la ciencia como para la técnica. Era preciso que él decidiera datos, construir sus teorías a partir de conceptos, leyes y principios tomados de las ciencias del calor y de la mecánica y de las técnicas del vapor y de la fuerza hidráulica

• SADI CARNOT, HIJO DE LÁZARO CARNOT

Su padre Lázaro Carnot era también un matemático y un ingeniero de genio, Sadi Carnot logró, únicamente por su propio trabajo, adquirir un renombre perdurable.

Los miembros del círculo que frecuenta son de tendencia radical y republicana y sus amigos más íntimos son Nicolás Clément y Charles Desormes, hombres de ciencia y químicos industriales. En 1831 tuvo un acceso de fiebre y cayó gravemente enfermo sufriendo delirio durante cierto tiempo. Se restableció, pero al año siguiente fue víctima de la gran epidemia de cólera que abatió a Europa.

• LA CIENCIA DEL CALOR ENTRE LA QUÍMICA Y LA METEOROLOGÍA

Cuando Carnot entró a la Escuela Politécnica, la única ciencia bien establecida, fundada en las matemáticas, era la mecánica. La ciencia del calor, hecha posible por la invención del termómetro en el siglo XVII, se había convertido virtualmente, durante la corriente del siglo XVIII, en monopolio de los químicos y de los hombres dedicados a la medicina. Estudios sobre la transferencia del calor y los trabajos de hombres como Rumford, Laplace, Biot, Poisson y Fourier permitieron a los matemáticos y físicos, relevar a los químicos en sus investigaciones sobre la ciencia del calor. El recalentamiento y el enfriamiento adiabáticos del aire eran utilizados para explicar la estabilidad de los campos de nieve y de los glaciares en los Andes al nivel del ecuador. El ciclo hidrológico fue confirmado cuando se probó que el total de las caídas de agua y de todas las demás formas de precipitación era igual al gasto de los cursos de agua y ríos más la pérdida debida a la evaporación. El calor, en consecuencia, era considerado como la gran fuerza motriz en el mundo, y era posible servirse de sus leyes para explicar una amplia gama de fenómenos aparentemente sin relaciones entre sí.

• EL DESARROLLO DE LA MÁQUINA DE VAPOR EN EL SIGLO XVIII

Funcionaban de la manera siguiente: el vapor era utilizado para impulsar el aire fuera de un cilindro, después éste era enfriado de suerte que el vapor se condensara y que a presión atmosférica externa hiciera descender un pistón. Después de eso, se dejaba que el vapor llenara nuevamente el cilindro, y el ciclo se repetía. Watt condensó el vapor en un cilindro frío separado, o condensador, en tanto que el cilindro principal era mantenido caliente permanentemente. Además, utilizaba el vapor caliente en lugar del aire frío para hacer descender el pistón en el cilindro, reduciendo así aún más la pérdida de calor.

El agua es químicamente neutra. Se hicieron ruedas hidráulicas más ligeras y eficaces; nuevas máquinas como la máquina de columna de agua (parecida exteriormente a una máquina de vapor pero accionada por el agua y no por presión de vapor) fueron puestas a punto; y la teoría de la energía hidráulica fue sólidamente establecida.

• EL BOMBEO DE AGUA EN LAS MINAS: PROGRESO Y PROBLEMAS

Después de 1800, James Watt ya no ejercía más su dominio sobre la fabricación de las máquinas de vapor, era más fácil para los ingenieros poner a punto motores de alta presión. Desde la Edad Media, las regiones mineras de este género habían sido frecuentemente centros de progreso científico y técnico. Las tres primeras decenas del siglo xix, el arte de bombear el agua fuera de las minas por medio de aparatos de vapor fue llevado a un alto grado de perfección por los ingenieros de esta provincia.

El Repórter establecía de manera indudable que el motor de alta presión que funcionaba "en expansión" era más eficaz que el motor de baja presión del tipo Watt.

La acción del aparato de bombeo se mide directamente en unidades de trabajo (producto del peso por la altura a que él es elevado o, en términos más formales, el producto de la fuerza por la distancia a lo largo de la que ella actúa).

Una mayor experiencia del motor a vapor a alta presión parece que convenció a la mayor parte de ingenieros, desde 1820, que ello ponía límite determinado a la cantidad de trabajo que podía ser obtenido a partir de una cantidad dada de calor.

Boerhaave había observado que el sistema formado por cuerpos llevados a temperaturas diferentes tiende a alcanzar un equilibrio térmico, y que nunca se ve que un cuerpo aislado se recaliente espontáneamente. El ingeniero escocés Ewart había sostenido que una cantidad de calor dada podía, en forma ideal, producir solamente una cantidad de trabajo dada.

J. B. Fourier había señalado en 1817 que el calor radiante debía obedecer a una ley sinusoidal de emisión; puesto que de otro modo sería imposible que un sistema de cuerpos alcanzara su equilibrio térmico. Agregaba:

“Los cuerpos cambiarían de temperatura al cambiar de situación. Los líquidos, al adquirir en sus diversas partes densidades desiguales, no permanecerían más en equilibrio en un lugar de una temperatura uniforme; estarían animados de un movimiento perpetuo.”

Un ingeniero, A. R. Bouvier, había afirmado en 1816 que la máquina de vapor ya se había desarrollado hasta el punto que era necesario recurrir a las matemáticas y a la física.

• LAS "REFLEXIONES SOBRE LA POTENCIA MOTRIZ DEL FUEGO"

Carnot no se ocupa de la naturaleza del calor; no está interesado en el calentamiento y el enfriamiento de diferentes cuerpos, ni en las condiciones en que el calor es transmitido; en fin, no le preocupan los efectos químicos y fisiológicos del calor. El calor le interesa en tanto los grandes movimientos naturales que se producen sobre la tierra: el sistema de los vientos, las corrientes oceánicas, etc.

Contiene la idea fundamental de que dondequiera que hay una diferencia de temperatura, existe la posibilidad de engendrar "potencia motriz".

Es imposible producir "potencia motriz" al menos que se disponga a la vez de un cuerpo frío y de un cuerpo caliente. No se puede extraer calor de un cuerpo caliente y utilizarlo para producir energía motriz. Eso podría considerarse como el primer enunciado de la segunda ley de la termodinámica.

• EL CICLO IDEAL DE UN MOTOR PERFECTO

El motor térmico es reducido estrictamente a sus elementos esenciales: un cilindro, lleno de una sustancia agente que puede ser el vapor o un gas, un pistón, un cuerpo caliente y un cuerpo frío que representan al equivalente de la fuente de calor y del condensador de un motor de vapor real.

El ciclo ideal está sometido a esta condición: la sustancia que actúa en el cilindro nunca debe estar en contacto con un cuerpo más frío o más caliente que ella, a fin de que no haya flujo de calor inútil. Todos los cambios de temperatura deben ser causados por la expansión o la compresión de la sustancia activa. Comprimida al principio a alta presión, la sustancia activa se dilata libremente: empuja el pistón y extrae calor del cuerpo caliente con el cual el cilindro está en contacto. Entonces se aleja el cilindro del cuerpo caliente y la sustancia continúa dilatándose adiabáticamente, de suerte que su temperatura decrece hasta ser igual a la del cuerpo frío.

El cilindro es puesto en contacto entonces con el cuerpo frio, y la sustancia activa es comprimida, siendo expulsando el calor. El cilindro es al fin separado del cuerpo frio; y la comprension continua de tal modo que la sustancia activa es calentada adiabaticamnete. El ciclo se acaba cuando la sustancia activa es llevada a su presion, su volumen y su temperatura originales. El resultado neto no ha sido sino una transferencia de calor del cuerpo caliente al cuerpo frio y la produccion de un trabajo externo. La sustancia activa ha vuelto a su estado original y no hay ningun desperdicio de calor, es exactamente reversible.

La reversibilidad del ciclo es posible porque no hay flujo de calor util en ningun punto del ciclo. El motor reversible es el que da el mejor rendimiento posible. El motor reversible tomaria menos calor del cuerpo caliente que del cuerpo frio para transformarlo a caliente. El balance global de esta operacion seria entonces el siguiente: la transferencia de cierta cantidad de calor del cuerpo frio al cuerpo caliente. Pero tal resultado haria posible una maquina de movimiento perpetuo.

El hecho de que todos los motores termicos ideales tengan el mismo rendimiento, cualquiera que sea el vapor o el gas que se utilice, tiene implicaciones fundamentales para la fisica de los gases. En una nota de pie de pagina que parece haber sido ignorada generalmente por los comentarios posteriores, el autor deja entender que el rendimiento de un motor termico ideal podria servir de base a una escala absoluta de temperatura, es decir, a una escala independiente de propiedades de alguna sustancia termometrica, cualquiera que sea.

El aumento enorme de la presion del vapor para muy pequeños elevaciones de temperatura debajo de 100 oC, hace virtualmente posible un funcionamiento sobre la gama entera de las temperaturas, desde la combustion del carbon hasta la condensacion del agua fria. Carnot previo en consecuencia

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