Història de la termodinàmica
La història de la termodinàmica és una peça fonamental en la història de la física, la història de la química, i l'història de la ciència en general. Per la rellevància de la termodinàmica en moltes àrees de la ciència i la tecnologia, la seua història està finamente teixida en els desenrolls de la mecànica clàssica, mecànica quàntica, magnetisme, i la cinètica química, per a aplicar a camps més distant tals com la meteorologia, teoria d'informació, i biologia (fisiologia), i a desenrolls tecnològics com la màquina de vapor, motor de combustió interna, criogenia i generació d'electricitat. El desenroll de la termodinàmica va ser motivat i dirigit per la teoria atòmica. També, encara que d'una manera sotil, va motivar noves direccions en provabilitat i estadística; veja, per eixemple, la llínea de temps de la termodinàmica. Est és un event històric relativament important dins dins de la física.
L'història de la termodinàmica com a disciplina científica es considera generalment que comença en Otto von Guericke qui, en 1650, va construir i va dissenyar la primera bomba de buit i va demostrar les propietats del buit usant els seus hemisferis de Magdeburgo. Guericke va ser impulsat a fer el buit en la finalitat de refutar la suposició d'Aristóteles que «la naturalea avorrix el buit». Poc despuix de Guericke, el físic i químic Robert Boyle va estudiar i va millorar els dissenys de Guericke i en 1656, en coordinació en el científic Robert Hooke, va construir una bomba d'aire. En esta bomba, Boyle i Hooke varen observar una correlació entre la pressió, temperatura i volum. En el temps, es varen formular la llei de Boyle, indicant que per a un gas a temperatura constant, la pressió i el volum són inversamente proporcionals i unes atres lleis dels gasos.
En 1679, un associat de Boyle, Denis Papin basant-se en estos conceptes, va construir un digestor de vapor, que era un recipient tancat en una tapa de tancament hermètic en el que el vapor confinat alcançava una alta pressió, aumentant el punt d'ebullició i acurtant el temps de cocció dels aliments.
En 1697, l'ingenier Thomas Savery, a partir dels dissenys de Papin, va construir el primer motor tèrmic, seguit per Thomas Newcomen en 1712. Encara que estos primers motors eren toscos i poc eficients, varen atraure l'atenció dels científics més destacats de l'época.
En 1733, Bernoulli va usar métodos estadístics, junt en la mecànica clàssica, per a extraure resultats de la hidrodinàmica, iniciant la física estadística.
En 1781 els conceptes de capacitat calorífica i calor latent, varen ser desenrollats pel professor Joseph Black de l'Universitat de Glasgow, a on James Watt va treballar com a fabricant d'instruments. Watt va consultar en Black en les proves de la màquina de vapor, pero va ser Watt qui va concebre l'idea del condensador extern, aumentant grandemente l'eficiència de la màquina de vapor.
En 1783, Antoine Lavoisier propon la teoria calòrica.
En 1798 Benjamin Thompson, comte de Rumford, va demostrar la conversió del treball mecànic en calor.
Sobre la base de tot este treball previ, Sadi Carnot, el «pare de la termodinàmica», va publicar en 1824 Reflexions sobre l'energia motriu del fòc, un discurs sobre l'eficiència tèrmica, l'energia, l'energia motriu i el motor. El document descriu les relacions bàsiques energètiques entre la màquina de Carnot, el cicle de Carnot i energia motriu, marcant l'inici de la termodinàmica com a ciència moderna.
El primer llibre de text sobre termodinàmica va ser escrit en 1859 per William Rankine, qui originalment es va formar com a físic i professor d'ingenieria civil i mecànica en l'Universitat de Glasgow. El primer i segon principis de termodinàmica varen sorgir simultàneament en la década de 1850, principalment per les obres de Germain Henri Hess, William Rankine, Rudolf Clausius, James Prescott Joule i William Thomson (Lord Kelvin).
Els fonaments de la termodinàmica estadística es varen establir pels físics com James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius, Johannes van der Waals i Josiah Willard Gibbs.
Des de 1873 fins al 76, el físic matemàtic nortamericà Josiah Willard Gibbs va publicar una série de tres artículs, sent la més famosa Sobre l'equilibri de les substàncies heterogénees. Gibbs va demostrar cóm els processos termodinàmics, incloent reaccions químiques, es podrien analisar gràficament. Per mig de l'estudi de l'energia, la entropía, potencial químic, la temperatura i la pressió del sistema termodinàmic, es pot determinar si un procés es produïx espontàneament. La termodinàmica química i la fisicoquímica varen ser desenrollades ademés per Walther Nernst, Pierre Duhem, Gilbert N. Lewis, Jacobus Henricus van 't Hoff, i Théophile de Donder, entre uns atres, aplicant els métodos matemàtics de Gibbs.
També varen ser d'importància per a la termodinàmica els desenrolls en termometria i manometría.
Història
[editar | editar còdic]Contribucions de temps ancestrals i medievals
[editar | editar còdic]Els ancestros varen vore el calor com alguna cosa relacionat al fòc. En l'any 3000 abans de Crist, els egipcíacs antics varen vore la calor com alguna cosa relacionat en orígens mitològics.[1] En la tradició filosòfica Occidental, despuix de molt debat sobre l'element primordial entre els principals filòsofs presocráticos, Empédocles va propondre una teoria de quatre elements, en la qual totes les substàncies deriven de la terra, aigua, aire, i fòc. L'element empedocleano del fòc és potser el principal antecessor de conceptes posteriors tals com flogisto i caloria. Al voltant de l'any 500 AC, el filòsof grec Heráclito va ser conegut com el «flux i fòc» filòsof per la seua expressió proverbial: «Totes les coses estan fluint». Heráclito va argumentar que els tres elements principals en naturalea eren fòc, terra, i aigua.
l'atomisme és una part central de l'actual relació entre la termodinàmica i física estadística. Els antics pensadors tals com Leucipo i Demócrito, despuix els epicúreos, advertint l'atomisme, varen posar les bases per a la posterior teoria atòmicacita requerida. Fins que les proves experimentals varen confirmar l'existència dels àtoms en el XX, la teoria atòmica va estar conduïda en gran part per consideracions filosòfiques i intuïció científica.
En el V, el filòsof grec Parménides, en el seu únic treball del que se sap, un poema convencionalment titulat Sobre la Naturalea, utilisa raonament verbal per a postular que un buit, essencialment lo que ara es coneix com un buit, en la naturalea no podria ocórrer. Esta opinió va ser recolzada pels arguments d'Aristóteles, pero va ser criticat per Leucipo i Herón d'Aleixandria. Des de l'antiguetat fins a l'Edat Mija es varen presentar diversos arguments per a aprovar o refutar l'existència d'un buit i es varen fer varis intents per a construir un buit, pero tots varen resultar infructuosos.
Els científics europeus Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei i Santorio Santorio en els sigles XVI i XVII varen ser capaços de medir la relació «fret» o «calor» de l'aire, utilisant un termómetro d'aire rudimentari (o termoscopio). Açò pugues haver segut influït per un dispositiu més primerenc el qual podria expandir i contraure l'aire construït per Filó de Bizancio i Herón d'Aleixandria.
Al voltant de l'any 1600, el filòsof anglés i científic Francis Bacon conjeturó: «La calor en sí, la seua essència i quididad és moviment i res més». En 1643, Galileo Galilei, mentres generalment l'acceptació de la «succió» explicació de horror vacui propost per Aristóteles, va creure que la naturalea avorrix el buit està llimitat. Les bombes que operen en mines ya havien demostrat que la naturalea solament ompliria un buit en aigua fins a una altura de 30 peus. Sabent este fet curiós, Galileo va animar al seu antic alumne Evangeliste Torricelli per a investigar estes llimitacions supostes. Torricelli no va creure que la naturalea avorrix el buit (Horror vacui) en el sentit d'Aristóteles la «succió», era responsable d'alçar l'aigua. Més be, va raonar, que era el resultat de la pressió eixercida sobre el líquit per l'aire circumdant.
Per a provar esta teoria, va omplir un tubo llarc de vidre (sagellat en un extrem) en mercuri i ho va bolcar en un plat que també contenia mercuri. Solament una part del tubo estava buida; 30 polzades del líquit varen quedar. Quan el mercuri buidat, i un buit parcial va estar creat en la part superior del tubo. La força de la gravetat sobre l'element pesat mercuri va impedir reblir el buit.
Transició de la química a la termoquímica
[editar | editar còdic]
La teoria del flogisto va sorgir en el XVII, al final del periodo de l'alquímia. La seua substitució per la teoria calòrica en el XVIII és un dels marcadors històrics de la transició de l'alquímia a la química. Flogisto era una substància hipotètica que presumia ser lliberada de substàncies combustibles durant la combustió, i dels metals durant el procés d'oxidació. La caloria, com el flogisto, també presumia ser la «substància» de la calor que es derivaria d'un cos calent a un cos més fret calfant-ho.
Els primers reptes experimentals substancials a la teoria calòrica varen sorgir en l'obra de Rumford 1798, quan va demostrar que els canons de ferro fos produïxen grans cantitats de calor els que va atribuir a la fricció, i el seu treball va ser dels primers en socavar la teoria calòrica. El desenroll de la màquina de vapor també va centrar l'atenció en la calorimetria i la cantitat de calor produïda a partir de diferents tipos de carbó. La primera investigació quantitativa sobre els canvis de calor durant les reaccions químiques es va iniciar per Lavoisier que utilisat un calorímetro de gèl despuix de l'investigació de Joseph Black en el calor latent d'aigua.
Més estudis quantitatius per James Prescott Joule en 1843 varen presentar més alvance fenomens profundament reproduibles, i varen ajudar a colocar el tema de la termodinàmica sobre una base sòlida. William Thomson, per eixemple, encara estava tractant d'explicar les observacions de Joule dins d'un marc calòric en 1850. L'utilitat i el poder explicatiu de la teoria cinètica, no obstant, pronte varen començar a desplaçar a la teoria calòrica i era en gran mida obsoleta a finals de el XIX. Joseph Black i Lavoisier varen fer contribucions importants en la medició precisa dels canvis de calor utilisant el calorímetro, un tema que es va conéixer com la termoquímica.
La termodinàmica fenomenológica
[editar | editar còdic]
- La llei de Boyle (1662)
- La llei de Charles va ser publicat per primera volta per Joseph Louis Gai-Lussac en 1802, pero fa referència a treballs no publicats per Jacques Charles al voltant de 1787. La relació havia segut anticipada pel treball de Guillaume Amontons en 1702.
- La llei de Gay-Lussac (1802)
Naiximent de la termodinàmica com a ciència
[editar | editar còdic]En els seus orígens, la termodinàmica era l'estudi de motors. Un precursor del motor va estar dissenyat pel científic alemà Otto von Guericke qui, en 1650, va dissenyar i va construir la primera bomba de buit i va crear per primera volta buit conegut com els Hemisferis de Magdeburgo. Va ser conduït a realisar un buit en la finalitat de refutar la suposició d'Aristóteles de que la naturalea avorrix el buit.
Poc despuix, el físic i químic irlandés Robert Boyle havia deprés dels dissenys de Guericke i en 1656, en coordinació en el científic anglés Robert Hooke, va construir una bomba d'aire. Utilisant esta bomba, Boyle i Hooke varen notar la correlació de pressió-volum : P.V=constant. En aquell moment, es va assumir que l'aire és un sistema de partícules immòvils, i no s'interpreta com un sistema de molècules en moviment. El concepte de moviment tèrmic es va produir dos sigles més vesprada. Per lo tant la publicació de Boyle en 1660 parla sobre un concepte mecànic: la cámara.[2] Més vesprada, despuix de l'invenció del termómetro, la propietat anomenada temperatura podria ser quantificada. Esta ferramenta va donar a Gai-Lussac l'oportunitat de derivar la seua llei, lo que va conduir poc despuix a la llei dels gasos ideals. Pero, ya abans de l'establiment de la llei dels gasos ideals, un soci de Boyle cridat Denis Papin va construir en 1679 un digestor d'os, que és un recipient tancat en una tapa hermètica que confina el vapor fins que es genera una alta pressió.
Els dissenys més tardans varen implementar una vàlvula d'escape de vapor per a evitar l'explosió de la màquina. En observar la vàlvula rítmicamente moure's cap a dalt i cap a avall, Papin va concebre de l'idea d'un pistón i motor de cilindre. Ell no obstant seguix alvance en el seu disseny. No obstant, en 1697, basat en els dissenys de Papin, l'ingenier Thomas Savery va construir el primer motor. A pesar de que estos primers motors eren toscos i poc eficients, varen atraure l'atenció dels científics més importants de l'época. Un d'estos científics va ser Sadi Carnot, el «pare de termodinàmica», qui en 1824 va publicar Reflexions sobre la potència motriu del fòc, un discurs sobre la calor, poder, i l'eficiència del motor. Açò marca l'inici de la termodinàmica com a ciència moderna.
Per lo tant, abans de 1698 i l'invenció de la màquina de vapor, els cavalls varen ser utilisats per a poleas elèctriques, units a les gavetes, el qual va elevar aigua fòra de les mines de sal inundades en Anglaterra. En els anys a seguir, es varen construir més variacions de les màquines de vapor, com la màquina de Newcomen, i més vesprada la màquina de vapor de vat. En el temps, estos motors primerencs finalment serien utilisats en lloc de cavalls. Aixina, cada motor va escomençar a ser associat en una certa cantitat de «cavalls de potència» depenent de la cantitat de cavalls que havia reemplaçat. El problema principal en estos primers motors era que eren llents i terramaner, convertint menys de 2 % del combustible d'entrada a treball útil. En atres paraules, cantitats grans de carbó (o fusta) varen tindre que ser cremats per a cedir solament una fracció chicoteta de producció de treball. D'ahí va nàixer la necessitat d'una nova ciència de la dinàmica del motor.
La majoria citen el llibre de Sadi Carnot 1824 Reflexions sobre la potència motriu del fòc com el punt de partida per a termodinàmica com a ciència moderna. Carnot va definir «Força motriu» per a ser l'expressió del efecte útil que un motor és capaç de produir. En esta, Carnot nos va presentar a la primera definició moderna de «treball»: pes alçat a través d'una altura. El desig d'entendre, via formulació, este efecte útil en la relació a «treball» és el núcleu de tota la termodinàmica moderna.
En 1843, James Joule va trobar experimentalment trobat l'equivalent mecànica de calor. En 1845, el Joule va informar el seu millor-experiment sabut, implicant l'us d'un pes en descens per a fer girar una roda de paleta en un barril d'aigua, el qual li va permetre estimar un equivalent mecànic de calor de 819 ft·lbf/Btu (4.41 J/calç). Açò va conduir a la teoria de conservació d'energia i explicar per qué la calor es convertir en treball.
En 1850, el famós físic matemàtic Rudolf Clausius va definir el terme entropía S sent la calor que es pert o es convertix en residus, derivada de la paraula grega entrepein que significa a la seua volta per a girar.
El nom «termodinàmica», no obstant, no va aplegar fins a 1854 quan el matemàtic i físic britànic William Thomson (Lord Kelvin) va falcar el terme termo-dinàmica en el seu artícul Sobre la Teoria Dinàmica de la Calor.[3]
En associació en Clausius, en 1871, el matemàtic i físic escocés James Clerk Maxwell formulant una nova branca de la termodinàmica cridada termodinàmica estadística, que funciona per a analisar un gran número de partícules en l'equilibri, és dir, els sistemes a on no hi ha canvis, de manera que solament les seues propietats miges com a temperatura T, pressió P, i volum V es convertixen en importants.
Poc despuix, en 1875, el físic austríac Ludwig Boltzmann va formular una conexió precisa entre entropía S i moviment molecular:
Definint-se en térmens del número d'estats possibles [W] que tal moviment podria ocupar, en a on K és la constant de Boltzmann.
L'any següent, 1876, era un punt fonamental en el desenroll del pensament humà. Durant este periodo essencial, l'ingenier químic Willard Gibbs, la primera persona en Estats Units en rebre un doctorat en ingenieria (de Yale), va publicar un document de 300 pàgines obscures titulat: Sobre l'equilibri de substàncies heterogénees, en el que va formular una gran igualtat, l'equació d'energia lliure de Gibbs, que va sugerir una mida de la cantitat de «treball útil» alcanzable en sistemes de reacció. Gibbs també va originar el concepte que hui coneixem com entalpia H, cridant-ho «una funció de calor de pressió constant».[4] La paraula moderna entalpia es va falcar molts anys més vesprada per Heike Kamerling Onnes,[5] que es basa en la paraula grega enthalpein el significat de la qual és calfar.
A partir d'estes bases, aquells que Lars Onsager, Erwin Schrödinger, i Ilya Prigogine, i uns atres, funcionant per a dur estos motors de «conceptes» en la via de casi totes les branques de hui en dia de la ciència.
Teoria cinètica
[editar | editar còdic]L'idea de que el calor és una forma de moviment és potser antiga i és certament parlat per Francis Bacon en 1620 en la seua obra Novum Organum. La primera reflexió científica escrita de la naturalea microscòpica de la calor és provablement per a ser trobat en un treball per Mikhail Lomonosov, en la que escriga:
- «(…) El moviment no deu ser negat basat en el fet de que no es veu. ¿Quí negaria que els fulls dels arbres es mouen quan crujir pel vent, a pesar de ser observable des de grans distàncies? De la mateixa manera que en este cas el moviment permaneix amagat per la perspectiva, que permaneix amagat en cossos calents pels extremadament menuts tamanys de les partícules que es mouen. En abdós casos, l'àngul de visió és tan chicotet que ni l'objecte ni el seu moviment poden ser vists».
Durant els mateixos anys, Daniel Bernoulli va publicar el seu llibre Hidrodinàmica(1738), en el qual es deriva una equació per a la pressió d'un gas tenint en conte les colisions dels àtoms en les parets d'un recipient. Ell demostra que esta pressió és de dos terços de l'energia cinètica mija dels gasos en una unitat de volum. Les idees de Bernoulli, no obstant, poc impacte en la cultura dominant de calories. Bernoulli establix una conexió en el principi de la força viva de Gottfried Leibniz, una primera formulació del principi de conservació de l'energia, i les dos teories es va entrellaçar íntimament a lo llarc de la seua història. Encara que Benjamin Thompson va sugerir que la calor era una forma de moviment com a resultat dels seus experiments en 1798, no es va fer cap de reconciliar els enfocaments teòrics i experimentals, i és poc provable que ell estiguera pensant en el principi de la força viva.
John Herapath va formular posteriorment de forma independent una teoria cinètica en 1820, pero utilisant la temperatura com un impulse en lloc de la força viva o energia cinètica per error associat. El seu treball no va ser en última instància de revisió per parells i va ser descuidada. John James Waterston en 1843 va proporcionar un conte en gran mida exacta, sempre de manera independent, pero el seu treball va rebre la mateixa recepció, a falta de revisió per parells, inclús d'algú tan ben dispost al principi cinètic com Davy.
Nous alvanços en la teoria cinètica no varen començar fins a mediats de el XIX, en les obres de Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell i Ludwig Boltzmann. En el seu treball de 1857 Sobre la naturalea del moviment cridat calor, Clausius per primera volta establix clarament que la calor és l'energia cinètica mija de les molècules. Este interés que Maxwell, en 1859 va derivar la distribució dels impulsos més alvance que du el seu nom.
Boltzmann posteriorment va generalisar la seua distribució per al cas dels gasos en els camps externs. Boltzmann és potser el factor que més contribuïx a la teoria cinètica, mentres presentava molts dels conceptes fonamentals de la teoria. Ademés de la distribució de Maxwell-Boltzmann que s'ha mencionat anteriorment, també associa l'energia cinètica de les partícules en les seues graus de llibertat. l'equació de Boltzmann per a la funció de distribució d'un gas en els estats de no equilibri seguix sent l'equació més eficaç per a l'estudi de fenomens de transport en gasos i metals. En introduir el concepte de provabilitat termodinàmica com el número de microestats que corresponen al micro estat actual, va demostrar que el seu logaritmo és proporcional a la entropía.
Branques de la termodinàmica
[editar | editar còdic]La següent llista arreplega les principals branques de la termodinàmica i una data aproximada de quàn es varen iniciar:
Les idees de la termodinàmica s'han aplicat també en atres camps, per eixemple:
- Termoeconomía (c. 1970)
Vore també
[editar | editar còdic]- Conservació de l'energia: Desenroll històric
- Història de la química
- Història de la física
- Maxwell's thermodynamic surface
- Timeline of thermodynamics, statistical mechanics, and random processes
- Termodinàmica
- Timeline of heat engine technology
- Timeline of low-temperature technology
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ J. Gwyn Griffiths(1955).The Journal of Hellenic Studies.75
- 21–23.doi:10.2307/629164.
- ↑ New Experiments physico-mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects (1660). [1]
- ↑ (1854).Transactions of the Royal Society of Edinburgh.21(part I)doi:10.1017/s0080456800032014.
- ↑ Laidler (1995). The World of Physical Chemistry, Oxford University Press, p. 110.
- ↑ (2002).Journal of Chemical Education.ACS Publications.79(6)
- 697.doi:10.1021/ed079p697.
Notes
[editar | editar còdic]
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Historia de la termodinámica» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.