JUAN MANUEL RIVERA JUÁREZ Y ELVA CABRERA MURUATO*
JUAN MANUEL RIVERA JUÁREZ Y ELVA CABRERA MURUATO*

A mediados de 1820, la termodinámica empezaba a ser una ciencia reconocida, aunque la palabra “no existió hasta que William Thomson (1824-1907), mejor conocido como Lord Kelvin, la acuñó.  40 años más tarde se establecieron los principios y leyes básicas. Uno de los conceptos más importantes en la consolidación de esta ciencia es la energía y, en particular, la confirmación de que un tipo de energía se puede transformar en otra. Esto que hoy nos parece evidente no lo fue en ese tiempo. Se puede considerar los inicios de estos conceptos en un libro llamado Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego, del francés Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832). Demostró que el trabajo mecánico se obtiene cuando el calor pasa de una temperatura alta a otra más baja. A pesar de morir de cólera a los 36 años, fue el primero en constatar que el calor y el trabajo eran intercambiables. Durante la segunda mitad del siglo 19, un reducido grupo de científicos comenzó a suponer que a escalas más pequeñas, el universo podría actuar de forma muy diferente a la experiencia cotidiana que, si fuera posible ver lo suficientemente cerca, cabría la posibilidad de que el universo estuviera compuesto de diminutas partículas sólidas en constante movimiento. Carnot creía que el calor era una especie de sustancia que fluía (como el agua) desde lo caliente a lo frío. Visto en términos de los átomos, el calor de pronto se convertía en un concepto mucho menos misterioso. Ludwig Eduard Botlzmann (1844-1906) y otros vieron que si un objeto estaba caliente simplemente significaba que sus átomos se movían más rápidamente. Observar al mundo a través de los átomos resultaba ser una idea inmensamente poderosa, pero esta imagen tenía en apariencia un problema insuperable. ¿Cómo podrían billones y billones de átomos, incluso en un pequeño volumen de gas, alguna vez ser estudiados? ¿Cómo se podría dar con las ecuaciones matemáticas que describieran todo esto? (Después de todo, los átomos estaban constantemente chocando entre sí, cambiando de dirección y velocidad, además de ser muchos). Parecía un desafío casi imposible de resolver Boltzmann intuyó una forma para resolver este problema. En lugar de tratar de entender y medir los movimientos exactos de cada átomo de manera individual, dedujo que podía construir una teoría funcional mediante el uso de las probabilidades de los átomos viajando a cierta velocidad y en ciertas direcciones. Se había transportado al interior de la materia, había imaginado un mundo nuevo, dejando de lado la realidad cotidiana y encontró las matemáticas para describirlo. Sería aquí, en esta escala, donde un día se las ingeniaría para descubrir el secreto más profundo de la energía –a pesar de la amplia hostilidad hacia sus teorías–. Boltzmann observó lo que Rudolf Clausius (1822-1888) no pudo concluir: la verdadera razón por la que un objeto caliente siempre se enfriará. Imagínese un trozo de metal caliente sobre la superficie de una mesa, los átomos dentro de él forcejean entre ellos, pero a medida que los átomos se empujan hacia el borde del objeto, transfieren una parte de su energía a los átomos que están sobre la superficie de la mesa. Estos átomos luego chocan con sus vecinos y, así, la energía térmica se extiende lentamente y se dispersa de forma natural. Todo el sistema ha pasado de estar en un estado especialmente ordenado, con toda la energía concentrada en un solo lugar, a un estado desordenado donde la misma cantidad de energía es distribuida entre muchos átomos más. Estas ideas (lo que ahora se conoce como la Teoría Cinética de los Gases), les permitieron a los físicos formarse una idea coherente del calor y de los fenómenos que intervienen y explicar muchos de los fenómenos que por medio de la teoría del calórico no era posible explicar; por ejemplo, para la teoría del calórico, la transferencia del calor se explicaba como un fluido que entraba y salía de los cuerpos para enfriarlos o calentarlos. Mientras que la teoría cinética de los gases argumenta que dicha transferencia de calor se debe al movimiento de los átomos.

Comentarios finales

Las concepciones de calor desde el enfoque de los cuatro elementos, alcahesto, flogisto y calórico, se caracterizaron por considerar que existía en el interior de los cuerpos una sustancia a la que se le atribuía que el cuerpo estuviera frío o caliente. La idea de calor desde la óptica de la energía se caracteriza por postular que el calor no es la energía que tiene un cuerpo sino la energía que se transfiere (energía térmica) de un cuerpo a otro al ponerlos en contacto si se encuentran a diferente temperatura.

 

jmrivera@fisica.uaz.edu.mx

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