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
Motores térmicos e hidráulicosRosichErgon
Termodinámica TécnicaEstradaEditorial Alsina.
Maquinas TérmicasSandfortEudeba
A TextBook on HeatBartonLongsman
HeatMittonDent and sons
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.)
ruvin@comnet.com.ar
rubenv@lettera.net
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