HISTORIA DE TERMODINAMICA

Termodinámica: La Reina de las Ciencias Por Carlos Martínez Collado* La teoría tanto más impresión causa, cuanto más sencillas son sus premisas, cuanto más distintos son los fenómenos entre los cuales ella establece relación, cuanto más amplio es el campo de su aplicación. De aquí la profunda impresión que me ha causado la termodinámica. Ella es la única teoría física de contenido universal, respecto a la cual estoy convencido de que en los límites de aplicación de sus conceptos fundamentales nunca será desmentida. Albert Einstein Termodinámica  y su historia La historia de la Termodinámica puede describirse como una de las más fascinantes aventuras en la historia de la humanidad, tal es así que su primera luz asoma con la invención genial del termoscopio y la sutil fragancia de una rosa, «La Rosa de Von Guericke», la inspiradora del gran experimento, la negación material del horror vacui, idea tan arraigada al escolasticismo renacentista como lo es hoy la crisis energética mundial o el cambio climático para la humanidad. Sí, la Termodinámica nació allí, en el Renacimiento, en ese renacimiento descubridor de la luz y de la sombra, y que la condena por tanto a vivir así por mucho tiempo. Ella nace y aun no se conoce su nombre; nace de hombres que la llevan por la luz y por la sombra, pero que la van formando como una nueva materia: cautivadora y viva, científica y enigmática, mística y peligrosa. Los hombres que le sirven de parteros, uno tras otro, estaban movidos por sus propias inquietudes, conocían bien su objetivo, pero no el camino para llegar a ella; se fueron legando sus propios descubrimientos: de Galileo a Von Guericke; de Von Guericke a Torricelli; de éste a Pascal, Boyle, Huyguens; de los tres a Papin, y en sucesión a Savery; de Newcomen, a Watt, a Carnot, a Clapeyron, pasando por los infortunios de Mayer, y de éste a los cinco grandes del siglo xix: Joule, a quien se le deben los experimentos que impulsaron la teoría mecánica del calor y el equivalente entre el calor y el trabajo; Rankine, quien definió el concepto de eficiencia termodinámica, consolidó la utilidad del diagrama indicador p-v y su relación con el trabajo y publicó el primer libro Termodinámica, en 1859; Clausius, quien define el primer principio de la Termodinámica (Die Energgie der Welt ist konstant: La energía del universo es constante), identifica el segundo principio de la Termodinámica y define una de las funciones más importantes de esta ciencia, la entropía, a la que le asigna el símbolo S; Kelvin, que con su escala absoluta de temperatura, en 1848, acuña por primera vez y para siempre, en 1849, los términos Termodinámica y energía mecánica, y Maxwell, quien aportó sus Relaciones de Maxwell, ingeniosas relaciones matemáticas para el estudio avanzado de las propiedades termodinámicas. Claro está que el aporte de estos hombres geniales fue complementado con las monumentales obras de sus contemporáneos y continuadores más cercanos en el tiempo, como Von Helmholtz, con su «golpe de audacia», como fuera definido por Engels al ver en su obra la igualdad de la energía cinética a la energía potencial gravitatoria; Gibbs, primero en obtener el título de Doctor en Ciencias en Estados Unidos y ofrecer por vez primera el diagrama T-S para la Termodinámica; Max Plank, y otros. A partir de 1862, con Alphonse Beau de Rochas, comenzó una nueva era en la transformación directa del calor en trabajo al patentar un motor de combustión interna impulsado por gasolina. En este nuevo e incipiente campo ofrecieron su aporte decisivo los inventores como Nikolaus August Otto, quien entabló y perdió una lucha por la paternidad de su invención con Beau de Rochas. A ellos les siguieron los motores cuyo funcionamiento se basaron en los ciclos diseñados y puestos en práctica por Ericson, Brayton, Stirling y Daimler (este último obtuvo en 1879 la patente de una máquina de cilindros múltiples acoplados a un cigüeñal común, revolucionando el modelo original de Otto al hacerlo funcionar con un líquido inflamable, pues anteriormente funcionaba con gas de iluminación). El Doctor Rudolph Christian Karl Diesel diseñó grandes máquinas de vapor y calderas, e investigó cómo sustituir la máquina de vapor con otra que superara la eficiencia de 6 al 10% que se lograba en los ciclos de vapor. Ideó un ciclo de trabajo con carreras de compresión que permitiera alcanzar altas temperaturas, en el cual el proceso de combustión tenía lugar a temperatura constante mediante el control de flujo en la inyección de combustible. En 1893 hace su primera prueba, pero a la primera inyección una súbita explosión casi acaba con su vida y finaliza con ella sus experimentos; sin embargo, con la certeza y el valor de quien es capaz de dar su vida por una idea en la que cree, logra en 1897 probar una máquina de operación práctica de la cual ya se conoce su evolución y funcionalidad en nuestros días. Con el hijo del conde de Cork, Robert Boyle, inventor de la bomba de aire y primero de sus grandes teóricos, cuya luz da a esta ciencia sus primeros destellos, nace un grupo de pensadores: los teóricos. Otro grupo, el de los inventores, nace con Denis Papin, quien a pesar de sus geniales logros, su marmita digester, su válvula de seguridad, su máquina atmosférica de vapor y su bomba de vapor, fue considerado por sus contemporáneos como todo un charlatán, sumiendo esta ciencia en las sombras por generaciones completas, pues por él la gente sintió más el terror de la catástrofe que el triunfo de la idea genial. El desarrollo práctico experimental de esta ciencia siempre llegó primero que su desarrollo teórico, tal es así que ocurrida la muerte de James Watt en 1819 y concluidas ya casi todas las mejoras técnicas posibles de hacer a la máquina de vapor, aún no se conocía prácticamente nada sobre los misterios del calor y el trabajo, sólo unos conceptos esclarecidos por él y el profesor Joseph Black, sobre las características térmicas del vapor y el agua; y aunque se percibía, aun no se sentía con toda su fuerza la crisis de la Física, o como se le conoce en nuestros tiempos, la crisis de los físicos. Fue así que el hijo del General francés, ministro de guerra de Napoleón, Lazare Nicolás Marguerité Carnot, uno de los creadores del concepto de trabajo y conocido en su tiempo como el organizador de la victoria, Nicolás Leonard Sadi Carnot estableció un paralelo entre los motores de agua y las máquinas de fuego, esclareciendo que «la producción de potencia motriz en las máquinas de vapor no es debida a un consumo real de calórico, sino a su transporte de un cuerpo caliente a un cuerpo frío; es decir, el restablecimiento de su equilibrio… El máximo de potencia motriz que se obtiene empleando el vapor, es también el máximo de potencia motriz realizable por cualquier medio». Este trabajo fue redactado en 1819 y publicado en 1824 en un pequeño libro de solo 118 páginas titulado Reflexións sur la puissance motrice du feu et sur les machines proles á developper cette puissance. He aquí también donde la Termodinámica hace historia al insertarse en esas grandes, tristes y felices coincidencias de nuestra era. Partamos desde Miguel Ángel, esa genial figura del más puro Renacimiento. Él muere el mismo año en que nace el creador del termoscopio y fundador del concepto de energía. A su vez, Galileo muere exactamente el mismo año en que nace Newton, en 1642. Esta es una sucesión de muertes y nacimientos que se ve también en La Reina de las Ciencias: su obra inicial se gesta exactamente en 1819, el mismo año en que muere el más grande de todos los inventores encargados en la creación de artefactos para transformar el calor en trabajo, James Watt. Por desgracia, la muerte tocó temprano a las puertas de la vida del creador de la obra más importante en Termodinámica: Sadi Carnot. Pareciera que vivió solo para concebirla, pues él no pudo dejar más que ese pequeño libro, aunque enorme legado, que hubiera pasado inadvertido para el mundo si en 1834 el físico francés Emile Clapeyron no se hubiera topado con esa obra, siendo así quien por vez primera interpretara las ideas de Carnot, reconociendo el valor de su trabajo en la obra Memoire sur la puissance motrice de la chaleur, publicado en el Journal d´ Ecole Politechnique, obra esta en la que se desarrollan aquellas ideas en forma matemática accesible y se introduce por primera vez una de sus más poderosas herramientas, el diagrama indicador en Termodinámica, utilizando por vez primera las curvas adiabáticas e isotérmicas para representar el ciclo de Carnot. A este trabajo, descubridor de las ideas del genio, le siguió la gran generalización: Tratado de conservación de la energía, de Herman Ludwig Ferdinand Von Helmholtz, publicado en 1847, y los trabajos de Rudolf Emmanuel Clausius, después de los cuales esta ciencia ha variado muy poco, pues fueron estos los hombres encargados en darle forma a los principios primero y segundo de la Termodinámica en la forma en que hoy los conocemos. Tal vez, sin saberlo William Thonsom (Sir Par Lord Varon Kelvin de Larg), llamó a Carnot de la misma forma en que años antes Watt se refirió a Denis Papin. Kelvin dijo: «Carnot fue un precursor prodigioso y genial, y su obra es una de las más grandes que recoge la historia de la ciencia». Así surgió esta ciencia: de lo oscuro a lo claro, de lo caliente a lo frío, del calor al trabajo. Así sigue esta ciencia, confiada en que todo está hecho, en que se sabe todo, en que no pueden existir más cambios que los que concibieron nuestros predecesores. Por ellos, por reconocer que fueron hombres movidos por una inquietud, por respetar sus memorias, por salvar el legado que nos han dejado, por mostrar al mundo una vía más y un hito de esperanza para enfrentar la crisis energética y el cambio climático, es que se intenta mostrar aquí la inconformidad por algo incompleto, para que siga siendo la Termodinámica «La Reina de las Ciencias». ¿Qué es la Termodinámica? La Termodinámica, tal como su nombre lo indica, termo (calor) y dinamic (movimiento), es la ciencia que estudia los movimientos del calor y sus transformaciones básicas hasta convertirse en trabajo y, por consecuencia, en ella se encierran las leyes de tales transformaciones. En Microsoft Encarta 2007 puede leerse: «Termodinamica, campo de la Física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas microscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la Termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería». Esta ciencia posee cuatro principios básicos que deben ser conocidos por todos, pues constituyen la base del desarrollo impetuoso que ha experimentado la humanidad después de la Revolución Industrial en Inglaterra; sin embargo, dos de ellos constituyen ineludible referencia para todas las ciencias que estudian sistemas, que intercambian materia o energía con el medio que los rodea o simplemente en sus mecanismos internos, y son por sí solas las herramientas fundamentales bajo las cuales se sustenta el basamento energético de la sociedad contemporánea. Estas leyes o principios, aunque son bien conocidos, no son del todo muy bien comprendidos; ellos son: el Primero y Segundo Principios de la Termodinámica. Este orden no debe entenderse cronológicamente, pues ello obedece más a la organización de las ideas que a su cronología: el Segundo Principio fue expuesto por vez primera 23 años antes que el Primero, por Carnot en 1819, y el Primero fue desarrollado por Mayer en 1842. Basado en la gran generalidad y fuerza de estos principios, E. Muslin en su libro Máquinas del siglo xx llama, con toda propiedad y absoluta certeza, a la Termodinámica: «La Reina de las Ciencias», pues hoy uno de los problemas fundamentales del mundo es la crisis energética, que con la sobre explotación de los recursos petrolíferos y el aumento creciente de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera ha motivado el cambio climático, que a su vez ha incrementado la desertificación y la sequía, el incremento en número y potencia de los fenómenos climatológicos en general, trayendo consigo para la humanidad la peor de las crisis alimentarias que se haya vivido. Por ello, sumo mi voz a la de Muslin y digo: ¡Sí: la Termodinámica es la Reina de las Ciencias! Y su esencia debe ser comprendida por todos. Principio Cero de la Termodinámica El Principio Cero de la Termodinámica, definido así por Max Born, afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura, y estar en equilibrio significa tener igual temperatura, es decir, que la diferencia entre las temperaturas sea: Cero. Una de las dificultades que desde mi punto de vista aprecio en este Principio es que aún no se encuentra bien definido el concepto de temperatura, siendo un ente abstracto para cualquiera que haya estudiado esta ciencia. Hace algunos años el profesor Bruno Henríquez, vicepresidente de la Sociedad Cubana de Física, me hizo la siguiente pregunta: ¿Puedes tú definir el concepto de temperatura? A esto claramente le tuve que decir que no, pues aunque divagué entre el Principio Cero, nunca llegué al concepto, pues éste no ha sido aún definido en la Termodinámica. Después quise hacer una pequeña propuesta, cuyo concepto he de ofrecer más adelante, por lo que antes tomaré la idea básica que han ofrecido los profesores John R. Howell y Richard O. Buckius en su texto Principios de Termodinámica para Ingenieros: «Si bien la temperatura es una de las propiedades más familiares, también es una de las propiedades más difíciles de definir exactamente. Los sentidos del hombre no son dignos de confianza al determinar la temperatura. Por ejemplo, se puede nadar durante un día que se describe como cálido, pero al salir del agua se encuentra que repentinamente el aire es fresco y se prefiere permanecer en el agua, que se había sentido fría en el primer contacto. Es dudoso que la temperatura del aire o del agua hayan realmente cambiado, a pesar de que los sentidos indican que son algo diferentes». Este criterio nos pone en una encrucijada, la de siempre, pero aquí los autores pasan por alto algo muy importante: ¡Realmente existen dos temperaturas!, la de bulbo húmedo y la de bulbo seco, por lo que la piel no nos engaña al manifestarnos repentinas sensaciones de frialdad al salir del agua, por ello estos sentidos son verdaderamente dignos de confianza, así que haciendo un símil con el concepto de luz, que es la parte del espectro electromagnético a la cual es sensible el ojo humano, emplearé el sentido del tacto a través de la piel para definir el concepto de temperatura. Así pues, aquí va la propuesta: La temperatura es una magnitud física intensiva, pues no depende del tamaño ni de la masa de los objetos, y como propiedad termodinámica de los cuerpos que componen un sistema, determina si están en equilibrio térmico o no. No puede ser medida directamente, sino a través de los cambios en otros cuerpos, se manifiesta por medio de las sensaciones de frío o de calor y sólo puede darse cuenta de ella a través de la piel; además, su acción sobre éste órgano depende de su estado de humedad o sequedad, por lo que en su identificación se diferencian dos tipos de temperatura: la de bulbo seco, que se siente en ausencia de humedad en el cuerpo, y la de bulbo húmedo, que se siente cuando la piel está mojada. Cada una de ellas, dependiendo de las condiciones del medio, posee un único valor posible. Una definición simple de temperatura de bulbo húmedo es la ofrecida por Stoecker en Refrigeración y acondicionamiento de aire: «es la temperatura que indica un termómetro que tiene su bulbo húmedo inmerso en una corriente de aire»…, «el termómetro señala una temperatura que es realmente la del agua sobre el bulbo. El agua, cuando está en contacto con aire no saturado, toma una temperatura diferente de la del aire». La temperatura de bulbo seco es la que normalmente sentimos en el ambiente y que se mide directamente con un termómetro, por ejemplo, al tener fiebre o al medir la temperatura del medio que nos rodea. Esta es la temperatura a través de la cual se realizan la mayor parte de los cálculos en problemas termotécnicos. Por último, veamos el punto de vista expuesto por Moran y Shapiro en Fundamentos de Termodinámica Técnica. Ellos lo enfocan así: «Como la fuerza, el concepto de temperatura se origina con la percepción de nuestros sentidos. Dicho concepto se basa en la noción de calidez o frialdad de un cuerpo. Utilizamos nuestro sentido del tacto para distinguir los cuerpos calientes de los fríos y ordenarlos en un orden de calidez, decidiendo que uno es más caliente que dos, dos más caliente que tres, y así sucesivamente. Sin embargo, por sensible que el cuerpo humano pueda ser, somos incapaces de medir con precisión esta cualidad. Es decir, deben diseñarse termómetros y escalas de temperatura para poder medirla». Como seres humanos seremos incapaces de medir con precisión absoluta la temperatura, pero ello no es necesario para definir un concepto que es vital en esta ciencia. La piel no será nunca un instrumento de medición, como tampoco pueden los ojos medir la intensidad luminosa y, sin embargo, se han empleado para definir el concepto de luz, que es mucho más abstracto y difícil que el concepto de temperatura. Primer Principio de la Termodinámica Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo xviii conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. Según se creía, esta sustancia hipotética, a la cual llamaron «calórico» era un fluido capaz de atravesar los medios materiales. Por el contrario, el Primer Principio de la Termodinámica identifica el calor como una forma de energía, y como forma de energía se puede convertir en trabajo mecánico. De esto trata el Primer Principio, de la transformación del calor en trabajo, y viceversa. Los cálculos de Mayer y los experimentos de Joule demostraron que el calor, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo, medido en kilogramo fuerza, eran completamente equivalentes. Una caloría, que se definió como la cantidad de calor que había que suministrarle a un kilogramo de agua para elevarle su temperatura un grado Celsius, equivale a 4,1868 Joule. Siendo entonces el calor y el trabajo dos formas diferentes de energía, pero equivalentes entre sí. El Primer Principio, por tanto, no es más que la Ley de Conservación de la Energía, y afirma que como la energía no puede crearse ni destruirse, la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema, debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos a través de los cuales los sistemas intercambian energía entre sí. En cualquier máquina hace falta cierta cantidad de energía para producir trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de energía. Una máquina hipotética de estas características se denomina móvil perpetuo de primera especie. La Ley de Conservación de la Energía descarta que se pueda inventar nunca una máquina así. A veces, el Primer Principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie. Segundo Principio de la Termodinámica …cualquier persona medianamente culta debe estar tan familiarizada con la segunda Ley de la Termodinámica como con las obras de Shakespeare… C.P. Snow, The Two Cultures and the Second Look, 1964 La Segunda Ley de la Termo-dinámica se refiere a la forma cualitativa en que puede ser transformado el calor en trabajo, y fue esbozada por primera vez por Carnot; sin embargo, el sentido práctico de esta ley posee diversas formas: Clausius fue el primero en enunciar la Segunda Ley de la Termodinámica (1850) en la forma siguiente: el calor no puede pasar por sí mismo de un cuerpo frío a un cuerpo más caliente. De esta forma define en este proceso una nueva función termodinámica, una propiedad llamada entropía. como una cantidad de calor sólo puede fluir desde una fuente de temperatura más caliente hacia una de menor temperatura, al dividir dicho calor entre las temperaturas de la fuente de emisión y del sumidero de calor, si en el sistema no se realiza trabajo, la entropía en este proceso crece, aumentando el desorden del sistema analizado. La palabra entropía proviene una griega cuyo significado es ciclo, a la cual Clausius le agregó el prefijo en para asemejarla a la palabra energía. La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no al equilibrio que se halla un sistema; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La Segunda Ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece, pues, «preferir» el desorden y el caos. A partir de la entropía, y su crecimiento, Clausius expuso su tesis de la muerte térmica del universo, «Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu» (La entropía del universo tiende a un máximo), por lo cual fue duramente criticado por Engels en Dialéctica de la naturaleza. Se puede demostrar que el Segundo Principio implica que si no se realiza trabajo sobre un sistema, a éste le será imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja hacia una región de temperatura más alta. El Segundo Principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y se cumpla así el Primer Principio. Se requiere de dos focos térmicos para que un ciclo funcione: la fuente y el sumidero de calor. Una máquina que realizara trabajo violando el Segundo Principio fue denominada por Ostwald como un «móvil perpetuo de segunda especie», ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el Segundo Principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda especie. Tercer Principio de la Termodinámica El Segundo Principio sugiere la existencia de una escala de temperatura absoluta con un cero absoluto de temperatura. El Tercer Principio de la Termodinámica afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. He aquí una visión rápida de lo que es la Termodinámica y su verdadera esencia, aunque podamos quedar insatisfechos, pues con el solo enunciado de sus principios no se puede mostrar toda la belleza de esta maravilla del ingenio humano. Queda, pues, seguir indagando sobre ella e intentar divulgar sus principios, que son la base para alcanzar la máxima eficiencia en toda transformación energética; y decir eficiencia significa querer salvar el mundo del derroche, del consumismo e impedir que continúe su avance hacia el caos, pues como dice su Segundo Principio: La naturaleza parece preferir el desorden y el caos; sin embargo, si alguna virtud posee el hombre es su capacidad para transformar el medio que lo rodea en beneficio de la sociedad en que vive. ¡Por ello se afirma que la Termodinámica es la Reina de las Ciencias! * Ingeniero Mecánico y Máster en Agroecología y Agricultura Sostenible, Pinar del Río, Cuba. e-mail: carlosmc@sum.upr.edu.cu