Orígenes de la Termodinámica

Introduccion:

Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos
empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron
siendo muy útiles para el desarrollo de
la vida del hombre.

Creemos que la termodinámica es un caso muy especial
debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos
mientras que en la actualidad los estudios sobre el
perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen
siendo de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la
importancia que revisten temas de tanta actualidad como la
contaminación.

El origen fué sin lugar a dudas la curiosidad que
despertara el movimiento
producido por la energía del vapor de agua.

Su desarrollo
fué tomando como objetivo
principal el perfeccionamiento de las tecnologias aplicadas con
el fin de hacer mas facil la vida del hombre,
reemplazando el trabajo
manual por la
máquina que facilitaba su realización y lograba
mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la
economía,
por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del
interior de las minas y el transporte.

Mas tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el
máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad
de lograr un conocimiento
profundo y acabado de las leyes y principios que
regian las operaciones
realizadas con el vapor.

El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de
recursos se
amplía en la medida en que se incorporan nuevas
áreas como las referentes a los motores de
combustión interna y ultimamente los
cohetes. La construcción de grandes calderas para
producir enormes cantidades de trabajo marca tambien la
actualidad de la importancia del binomio máquinas
térmicas-termodinámica.

En resumen: en el comienzo se partió del uso de
las propiedades del vapor para succionar agua de las
minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr
las máximas potencias con un mínimo de contaminación y un máximo de
economía.

Para realizar una somera descripción del avance
de la termodinámica a través de los
tiempos la comenzamos identificando con las primitivas
máquinas térmicas y dividimos su descripción
en tres etapas, primero la que dimos en llamar empírica,
la seguna la tecnológica y la tercera la
científica.

I.- La etapa empírica

Los orígenes de la termodinámica nacen de
la pura experiencia y de hallazgos casuales que fueron
perfeccionándose con el paso del tiempo.

Algunas de las máquinas térmicas que se
construyeron en la antigüedad fueron tomadas como mera
curiosidad de laboratorio,
otros se diseñaron con el fin de trabajar en
propósitos eminentemente prácticos. En tiempos del
del nacimiento de Cristo existian algunos modelos de
máquinas térmicas, entendidas en esa época
como instrumentos para la creación de movimientos
autónomos, sin la participación de la
tracción a sangre.

El ingenio más conocidos por las crónicas
de la época es la eolipila de Herón que usaba la
reacción producida por el vapor al salir por un orificio
para lograr un movimiento.
Esta máquina es la primera aplicacióndel principio
que usan actualmente las llamadas turbinas de
reacción.

La historia cuenta que en 1629
Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de
realizar un movimiento en
base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que
salía por un caño. No se sabe a ciencia cierta
si la máquina de Branca se construyó, pero, es
claro que es el primer intento de construcción de las que hoy se llaman
turbinas de acción.

La mayor aplicación de las posibilidades de la
máquina como reemplazante de la tracción a sangre
consistía en la elevación de agua desde el
fondo de las minas. Por ello la primera aplicación del
trabajo mediante la fuerza del
vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de
Savery.

La máquina de Savery consistía en un
cilindro conectado mediante una cañería a la fuente
de agua que se
deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se
cerraba la llave de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor
se condensaba se producía un vacío que
permitía el ascenso del agua.

II.- La etapa tecnológica.

Según lo dicho la bomba de Savery no
contenía elementos móviles, excepto las
válvulas de accionamiento manual,
funcionaba haciendo el vacío, de la misma manera en que
ahora lo hacen las bombas
aspirantes, por ello la altura de elevación del agua era
muy poca ya que con un vacío perfecto se llegaría a
lograr una columna de agua de 10.33 metros, pero, la tecnología de esa
época no era adecuada para el logro de vacios
elevados.

El primer aparato elemento que podriamos considerar como
una máquina propiamente dicha, por poseer partes
móviles, es la conocida como máquina de vapor de
Thomas Newcomen construída en 1712. La innovación consistió en la
utilización del vacío del cilindro para mover un
pistón que a su vez proveía movimiento a
un brazo de palanca que actuaba sobre una bomba convencional de
las llamadas aspirante-impelente.

Podemos afirmar que es la primera máquna
alternativa de mla que se tiene conocimiento y
que con ella comienza la historia de las
máquinas térmicas.

Las dimensiones del cilindro, órgano principal
para la creación del movimien-to, eran: 53,3 cm de
diámetro y 2,4 metros de altura, producía 12
carreras por minuto y elevaba 189 litros de agua desde una
profundidad de 47,5 metros.

El principal progreso que se incorpora con la
máquina de Newcomen consis-te en que la producción de un movimiento
oscilatorio habilita el uso de la máquina para otros
servicios que
requieran movimiento alternativo, es decir, de
vaivén.

En esa época no existian métodos
que permitieran medir la potencia
desarrollada por las máquinas ni unidades que permitieran
la comparación de su rendi-miento, no obstante, los
datos
siguientes dan una idea del trabajo realizado por una
máquina que funcionó
en una mina en Francia,
contaba con un cilindro de 76 cm de diámetro y 2,7 metros
de altura, con ella se pudo completar en 48 horas una labor de
desagote que previamente había requerido una semana con el
traba-jo de 50 hombres y 20 caballos operando en turnos durante
las 24 horas del día.

La máquina de Newcomen fué perfeccionada
por un ingeniero inglés
llamado Johon Smeaton (1742-1792). Un detalle de la potencia lograda
lo podemos ver en el trabajo
encargado por Catalina II de Rusia quien solicitó bombear
agua a los di-ques secos del fuerte de Kronstadt. Esta tarea
demoraba un año usando molinos de viento de 100 metros de
altura, la máquina de Smeaton demoró solamente dos
semanas. Se debe destacar que el perfeccionamiento
consistió en la optimización de los mecanismos,
cierres de válvulas, etc.

El análisis de las magnitudes que entran en
juego en el
funcionamiento de la máquina de vapor y su
cuantificación fué introducido por James Watt
(1736-1819).

Watt se propuso estudiar la magnitud del calor puesto
en juego en el
funcio-namiento de la máquina, esto permitiría
estudiar su rendimiento.

El mayor obstáculo que encontró Watt fué el
desconocimiento de los valores de
las constantes físicas involucradas en el proceso, a
raiz de ello debió realizar un proceso de
mediciones para contar con datos
confiables.

Sus mediciones experimentales le permitieron verificar
que la máquina de Newcomen solo usaba un 33% del vapor
consumido para realizar el trabajo
útil.

Los aportes de Watt son muchos, todos ellos apuntaron al
logro de un mayor rendimiento, inventó el prensaestopa que
actua manteniendo la presión mientras se mueve el
bástago del pistón, introdujo la bomba de
vacío para incrementar el rendimiento en el escape,
ensayó un mecanismo que convirtiera el movimiento
alternativo en rotacional, en 1782 patentó la
máquina de doble efecto (el vapor empuja en ambas carreras
del pistón), ideó válvulas de movimiento
vertical que permitian mantener la presión de la caldera
mediante la fuerza de un
resorte com-primido. Creó el manómetro para medir
la presión del vapor y un indicador que po-día
dibujar la evolución presión-volumen del vapor
en el cilindro a lo largo de un ciclo.

Con el objetivo de
establecer una unidad adecuada para la medición de la
potencia,
realizó experiencias para definir el llamado caballo de
fuerza.
Determinó que un caballo podía desarrollar una
potencia
equivalente a levantar 76 kg hasta una altura de 1 metro en un
segundo, siguiendo con este ritmo durante cierto tiempo, este
valor se usa
actualmente y se lo llama caballo de fuerza
inglés.

Un detalle importante de las calderas de
Watt es que trabajaban a muy baja presión, 0,3 a 0,4
kg/cm2.

Los progresos tecnológicos aportados por Watt
llevaron la tecnología de la
máquina de vapor a un refinamiento considerable. Se
había avanzado en seguri-dad merced a la
incorporación de válvulas, ya se contaba con
unidades que daban cuenta de la potencia y el
rendimiento, los mecanismos fueron elaborados con los mas
recientes avances de la tecnología mecánica. Lo único que no
entró en la consideración de Watt fué la
posibilidad de usar calderas de
mayor presión, su objetivo
principal era la seguridad, y
desde el punto de vista económico no reque-ría
perfeccionamiento, sus máquinas eran muy apreciadas y se
vendian bien.

Después de Watt se consiguieron considerables
avances en la utilización de calderas de
muy alta presión, esta incorporación
incrementó el rendimiento y, lo mas importante,
favoreció el uso de calderas de
menor tamaño que realizaban mayor trabajo que las grandes,
además de mejorar el rendimiento del vapor las
preparó para adaptarlas para su instalación en
medios de
transporte.

En agosto de 1807 Robert Fulton puso en funcionamiento
el primer barco de vapor de éxito comercial, el Clermont,
el mérito de Fulton consiste en la instalación y
puesta en marcha de una máquina de vapor a bordo, no
realizó innovaciones sobre la máquina en sí.
Este barco cumplió un servicio
fluvial navegando en el río Hudson.

En el año 1819 el buque de vapor Savannah, de
bandera norteamericana realiza el primer viaje
transatlántico, ayudado por un velamen. El Britania
fué el primer barco de vapor inglés,
entró en servicio en
1840, desplazaba 1150 toneladas y contaba con una máquina
de 740 caballos de fuerza,
alimentada por cuatro calderas de 0.6 kg/cm cuadrado,
desarrollando una velocidad de
14 km/h.

George Stephenson (1781-1848) fué el primero que
logró instalar una máquina de vapor sobre un
vehículo terrestre dando inicio a la era del
ferrocarril.

En el año 1814 Stephenson logró arrastrar
una carga de treinta toneladas por una pendiente de 1 en 450 a
sis km por hora.

En 1829 la locomotora llamada Rocket recorrió 19
km en 53 minutos lo que fué un record para la
época.

III.- Etapa científica.

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 Lord Kelvin redescubriera
la importancia de las propuestas contenidas en
él.

Llamó la atención de Carnot el hecho de
que no existieran teorias que ava-laran la propuestas utilizadas
en el diseño
de las máquinas de vapor y que todo ello dependira de
procedimientos
enteramente empíricos. Para resolver la cuestión
propuso que se estudiara todo el procedimiento
desde el punto de vista mas gene-ral, sin hacer referencia a un
motor,
máquina o fluido en especial.

Las bases de las propuestas de Carnot se pueden resumir
haciendo notar que fué quien desarrolló el concepto de
proceso
cíclico y que el trabajo se
produ-cía enteramente "dejando caer" calor desde
una fuente de alta temperatura
hasta un depósito a baja temperatura.
También introdujo el concepto de
máquina reversible.

El principio de Carnot establece que la máxima
cantidad de trabajo que puede ser producido por una
máquina térmica que trabaja entre una fuente a alta
temperatura y
un depósito a temperatura
menor, es el trabajo
producido por una máquina reversible que opere entre esas
dos temperaturas. Por ello demostró que ninguna
máquina podía ser mas eficiente que una
máquina reversible.

A pesar que estas ideas fueron expresadas tomando como
base la teoría
del calórico, resultaron válidas. Posteriormente
Clausius y Kelvin, fundadores de la termodinámica
teórica, ubicaron el principio de Carnot dentro de una
rigurosa teo-ría científica estableciendo un nuevo
concepto, el
segundo principio de la termodinámica.

Carnot también establece que el rendimiento de
cualquier máquina térmica depende de la diferencia
entre temperatura de
la fuente mas caliente y la fría. Las altas temperaturas
del vapor presuponen muy altas presiones y la expansión
del vapor a bajas temperaturas producen grandes volúmenes
de expansión. Esto producía una cota en el
rendimiento y la posibilidad de construcción de máquinas de
vapor.

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 las discusiones eran acaloradas.

James Prescot Joule (1818-1889) se convenció
rapidamente de que el trabajo y el calor eran
diferentes manifestaciones de una misma cosa. Su expe-riencia mas
recordada es aquella en que logra medir la equivalencia entre el
traba-jo mecánico y la cantidad de calor. Joule
se valió para esta experiencia de un sis-tema de
hélices que agitaban el agua por un
movimiento producido por una serie de contrapesos que permitian
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 Lord
Kelvin quien junto a Clausius terminaron de establecer las bases
teóricas de la termodinámica como disciplina
independiente. En el año 1850 Clausius dscubrió la
existencia de la entropía y enunció el segundo
principio:

Es imposible que una máquina térmica
que actúa por sí sola sin recibir ayuda de
ningún agente externo, transporte
calor de un
cuerpo a otro que está a mayor
temperatura.

En 1851 Lord 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 y reclamó para sí el postulado del
primer principio que enunciaba así:

Es imposible obtener, por medio de agentes materiales
inanimados, efectos mecánicos de cualquier
porción de materia
enfriándola a una temperatura inferior a la de los
objetos que la rodean.

Lord Kelvin también estableció un
principio que actualmente se conoce como el primer principio de
la termodinámica. Y junto a Clausius derrotaron la
teoría
del calórico.

Situación actual:

Hoy se ha llegado a uninteresante 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 de
explosión, las turbinas de gas, las turbinas
de vapor y los motores de
retropropulsión. Por otra parte la termodinámica
como ciencia actua
dentro de otras disciplinas como la química, la biología,
etc.

Conclusión:

El desarrollo de
la termodinámica tiene un origen empírico como
muchas de las partes de la tecnología.

Una de las curiosidades en la aplicación temprana
de efectos del vapor en la etapa que dimos en llamar
empírica y que a lo largo de su desarrollo
cambiara su origen en varias hipótesis, flogisto, calórico y
finalmente energía.

Con Watt se logra el perfeccionamiento en la tecnología, se
comprenden los principios
básicos de la misma y se aislan las variables que
intervienen en el fun-cionamiento de la máquina, la
introducción de la unidad para medir la potencia conduce
al manejo de criterios de comparación.

Despues de Watt comienza el desarrollo de
las máquinas móviles con las realizaciones de
Robert Fulton y George Stephenson.

Tambien es importante marcar como las teorias de Carnot
tienen aún validez en su forma original apesar de haber
estado
fundamentadas en una hipótesis erro-nea, la del calórico.
Carnot introduce tres conceptos fundamentales:

El concepto de
ciclo o máquina cíclica.

La relación entre la "caida del calor de una
fuente caliente a otra mas fría y su relación
con el trabajo.

El concepto de
máquina reversible de rendimiento
máximo.

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.

Bibliografía de
referencia

Las palabras clave se refieren a los
precursores de esta ciencia:
Herón, Savery, Newcomen, Fulton, Stephenson, Sadi Carnot,
Clausius, Lord Kelvin, Joule, Watt.

Autor: Rubén Víctor
Innocentini

(Profesor de matemática, física y
cosmografía.)