Termodinámica I: _{Teoría calórica, calor latente y primera ley de la termodinámica}

¿Qué es la termodinámica?

La palabra "termodinámica" se utilizó por primera vez en 1849 para describir el estudio del flujo de calor. Viene de dos palabras griegas diferentes, "therme", que significa calor, y "dynamis", que significa poder. Tomado literalmente, la termodinámica es el estudio del calor utilizado como fuente de energía o trabajo. Utiliza las matemáticas para predecir la forma en que se moverá el calor y cómo se puede convertir en procesos útiles, como la conducción de un motor. Por lo tanto, la termodinámica es parte integral del estudio de la ingeniería y la física, pero la termodinámica también es prominente en casi todas las demás ramas de la ciencia, incluidas la astronomía, la química, la biología, la geología y otras.

Comprender el calor

Comprender la termodinámica comienza con una pregunta aparentemente simple: ¿Qué es el calor? Hoy sabemos que el calor es la forma de energía que afecta la temperatura de los objetos al cambiar el movimiento de los átomos o moléculas dentro de esos objetos. Sin embargo, los primeros científicos no entendían tanto el calor.

Teoría calórica

Muchos científicos de finales del 1700 se suscribieron a la idea "calórica" del calor. En este contexto, se pensaba que el calor era una sustancia: no se podía tocar, ver o recolectar como otros tipos de sustancias, pero fluía de un objeto a otro de manera muy similar a como el agua fluye de una jarra. Se creía que la cantidad de "sustancia" calórica en un objeto daba lugar a su temperatura: cuanto más tenía, más caliente estaba el objeto. Por lo tanto, en su opinión, los cambios de temperatura fueron causados por el flujo de calorías hacia o desde un objeto.

Esta idea sobre el calor tenía sentido en su día porque el calor, de hecho, se comporta de alguna manera como un fluido. Por ejemplo, sabemos que la energía térmica fluye de áreas de calor alto a calor bajo. Sin embargo, la teoría calórica fue en última instancia defectuosa y condenada a los archivos de la historia de la ciencia.

Joseph Black y el calor latente

Las primeras pruebas que contradicen la teoría calórica se remontan a la década de 1760, cuando el químico escocés Joseph Black realizó un importante trabajo sobre los diferentes estados del agua. Black fue el primero en escribir sobre la observación de que a medida que el hielo se derretía y se convertía en agua, la temperatura del sistema seguía siendo la misma. Agregar más calor al agua helada solo aceleró el derretimiento, pero la temperatura no cambió hasta que el hielo se derritió por completo. Si la teoría calórica era correcta, agregar más calor a la mezcla debería elevar su temperatura. Al describir este fenómeno, Joseph Black planteó la hipótesis de que el hielo debe almacenar algo que se libera cuando se convierte en agua; llamó a esto "calor latente".

Hoy en día, sabemos que el calor latente es la energía que se libera o absorbe cuando un material cambia su estado de materia. Por ejemplo, nos dice exactamente cuánta energía se necesitará para derretir hielo o hervir agua en vapor. Si bien el descubrimiento del calor latente a menudo se marca como el comienzo de todo el campo de la termodinámica, pasarían otros cien años antes de que la teoría calórica desapareciera como una descripción de la energía térmica y el flujo de calor.

La máquina de vapor impulsa las primeras investigaciones sobre termodinámica

Muchos de los grandes avances de la sociedad moderna tienen sus raíces en la Revolución Industrial de finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX. Y un impulsor principal de la Revolución Industrial fue la máquina de vapor, introducida por primera vez en capacidad industrial por James Watt en 1765 (Figura 1). La máquina de vapor ayudó a impulsar la industria al permitir la ubicación de fábricas en lugares independientes de las fuentes de agua corriente que tradicionalmente habían suministrado energía mecánica. Sin embargo, las primeras máquinas de vapor no eran muy eficientes. De hecho, el famoso motor inventado por Watt y Matthew Boulton convirtió solo alrededor del 3% de su combustible en trabajo, un sistema extremadamente ineficiente. Durante décadas, los fabricantes de motores jugaron con diferentes partes y combustibles para mejorar su diseño, pero contribuyeron poco a mejorar la eficiencia del motor. El problema fue que ninguno de estos primeros ingenieros pensó mucho en el componente clave que hacía funcionar el motor: el calor. Al no comprender el calor y cómo se movía, los ingenieros no lograron un progreso significativo.

Carnot y la revolución de la máquina de vapor

A principios del siglo XIX, un ingeniero y físico francés llamado Sadi Carnot (Figura 2) comenzó a trabajar con la máquina de vapor. Carnot había servido en el ejército francés y, al regresar de las guerras napoleónicas, le había impresionado el mal estado de las máquinas de vapor francesas en comparación con los diseños británicos. De hecho, estaba convencido de que las deficiencias en los motores franceses habían contribuido a la caída de Francia y se propuso abordarlas.

Carnot abordó el problema desde un punto de vista diferente al de otros: estudió el movimiento del calor y la función del vapor en la conducción del motor en oposición a las partes mecánicas del motor. En 1824, publicó sus observaciones sobre la teoría de las máquinas de vapor, "Reflejos de la fuerza motriz del fuego". En esta publicación, Carnot mostró que el trabajo que realiza una máquina de vapor se debe al flujo de calor de las partes calientes del motor a las partes más frías, y la eficiencia de un motor depende de esta diferencia de temperatura. Aunque el trabajo de Carnot fue inicialmente bien recibido, fue ignorado en gran medida durante casi una década. Sin embargo, esta noción de flujo de calor fue la primera de su tipo y eventualmente conduciría a importantes avances en ingeniería y termodinámica a mediados del siglo XIX. Marca el verdadero comienzo de nuestro estudio formal del movimiento del calor llamado termodinámica.

Los experimentos de Joule amplían el trabajo de Carnot

El trabajo de Carnot en la teoría de las máquinas de vapor fue monumentalmente importante, pero todavía se basaba en la noción errónea de la teoría calórica. Otros científicos que siguieron los pasos de Carnot harían sonar la sentencia de muerte del calórico. Uno de los primeros científicos en ampliar el trabajo de Carnot fue James Prescott Joule, quien comenzó a estudiar la máquina de vapor que su familia usaba para alimentar su cervecería local para determinar si podía ser reemplazada por el motor eléctrico recién inventado.

Antes de convertirse en gerente de la cervecería familiar, Joule fue entrenado en física por nada menos que el atomista inglés John Dalton. Joule estudió la cantidad de trabajo (o lo que él llamó "deber") que cada motor podía producir y descubrió que, a pesar de sus ineficiencias, la máquina de vapor funcionaba significativamente mejor que el motor eléctrico. Joule continuó estudiando la naturaleza del trabajo y la energía, y en la década de 1840 realizó uno de sus experimentos más conocidos. Joule utilizó la energía de una caída de peso (energía mecánica) para impulsar una rueda de paletas a través del agua, generando calor a partir de la fricción; esta observación demostró que la energía se puede convertir entre formas. (Obtenga más información sobre esta investigación en nuestro módulo Energía: una introducción ).

Los experimentos de Joule contribuyeron a nuestra comprensión moderna de la energía: el calor y el trabajo son dos formas diferentes de lo mismo: energía. Esto representó un desafío directo a la teoría calórica. ¿Cómo podría el material que provocó que las cosas estuvieran calientes ser el mismo que dio lugar al trabajo? Muchos científicos de la época se mostraron escépticos ante las interpretaciones de Joule y buscaron fallas en su trabajo. Como tal, fue lento para ser aceptado.

La primera ley de la termodinámica

La teoría calórica del calor comenzó a tener problemas para explicar todas las observaciones de los científicos ya en 1760. Sin embargo, encontró su mayor desafío a mediados del siglo XIX cuando Rudolf Clausius, un físico y matemático alemán, publicó una serie de artículos. que sentó las bases para la llamada teoría "cinética" del calor. Clausius apreció las ideas publicadas por Carnot, pero tenía un problema con la teoría calórica. Si el calor es un material, como toda materia, entonces no puede ser destruido, como dijo Carnot en su obra. Pero Clausius dijo que lo contrario también debe ser cierto, que si el calor no se puede destruir, entonces no se puede crear. Sin embargo, esto es obviamente incorrecto: el simple hecho de frotar dos objetos, como las manos en un día frío, puede aumentar su temperatura y, por lo tanto, generar calor.

Refiriéndose al trabajo de Joule, Clausius formalizó la relación entre trabajo y calor en su tratado Sobre la teoría mecánica del calor , publicado en 1850. En él, proporcionó el primer enunciado de la teoría cinética del calor, en el que el calor se deriva del movimiento de moléculas en un material. “ En todos los casos en los que el trabajo es producido por la agencia de calor, se consume una cantidad de calor proporcional al trabajo realizado ”, afirmó. A esta oración se le atribuyen dos hitos: fracturó la teoría calórica, y es una de las primeras declaraciones formales de la Ley de Conservación de Energía, que establece que en un sistema que está cerrado a su entorno, la energía puede cambian de forma pero no se pueden crear ni destruir. La Ley de Conservación de Energía se conoce como la Primera Ley de la Termodinámica (ver Figura 3). Clausius fue uno de los primeros científicos en notar que el calor y el trabajo eran proporcionales entre sí, esencialmente representando dos formas diferentes de energía. Esto demostró que el calórico no era un material, y la teoría cinética finalmente se afianzó en el campo.

A Clausius también se le atribuye en gran medida la formalización de la Segunda Ley de la Termodinámica. Como él mismo dijo, "El calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente sin que ocurra algún otro cambio, conectado con él, al mismo tiempo". En pocas palabras, los objetos fríos no pueden calentar objetos más calientes; esto requiere algún tipo de influencia externa. Una comprensión completa de este fenómeno requiere la comprensión de un concepto llamado entropía .

Captura de calor

El estudio del calor a principios del siglo XIX se vio obstaculizado por un problema más práctico: la medición. El calor no se podía capturar en un frasco como un gas. Solo podría detectarse por cambios de temperatura. Los termómetros precisos y las escalas de temperatura habían existido desde principios del siglo XVIII, por lo que la medición de la temperatura no era un problema. Sin embargo, los científicos que usaban los primeros termómetros no sabían cómo se relacionaban el calor y la temperatura. La investigación de Joseph Black sobre el calor latente desafió la sabiduría convencional de que el calor y la temperatura son intercambiables y planteó preguntas sobre la naturaleza del calor como material, pero aún no proporcionó respuestas.

Un avance crucial en el estudio del flujo de calor y energía fue la invención de un dispositivo llamado calorímetro . Se trata de un contenedor isotérmico que permite la observación precisa de los cambios de temperatura basados en el proceso dentro del contenedor libre de influencias externas. El químico francés Antoine Lavoisier usó un calorímetro temprano para demostrar que el intercambio de gases y calor que ocurre cuando los conejillos de indias respiran es similar en naturaleza al de una vela encendida (no se preocupe, ¡los conejillos de indias estaban bien!). Y Joule luego usó un calorímetro crudo en sus experimentos, lo que le permitió equiparar el trabajo con el calor. La medición precisa del calor producido por varios procesos permitió a los científicos comprender mejor la verdadera naturaleza del calor en sí.

Mirando hacia el futuro

La termodinámica es una disciplina firmemente anclada en el estudio de la energía y sus transiciones. De nuestro deseo de mejorar la máquina de vapor, llegamos a comprender la interacción entre diferentes formas de energía como el calor y el trabajo. Sin embargo, la historia se vuelve mucho más compleja. Los conceptos de entalpía, entropía y energía libre cobran importancia a medida que dirigimos nuestra atención a procesos como las reacciones químicas y el equilibrio.