Calor y Termodinámica

Antes del siglo 19, se creía que la sensación de cuan caliente o frío era un objeto era determinado como cuanto "calor" contenía. El calor fue concebido como un líquido que fluía de los objetos calientes a los fríos; este fluido sin peso fue llamado "calórico", y hasta los escritos de Joseph Black (1728-1799), no se distinguió entre calor y temperatura. Black distinguió entre la cantidad (caloría) y la intensidad (temperatura) del calor.

Benjamin Thomson, Conde Rumford, publicó un artículo en 1798 titulado "Una Investigación Concerniente al Origen del Calor el cual es provocado por Fricción". Rumford informó la gran cantidad de calor generado cuando se taladra un cañón. El dudó que una sustancia material fluyera dentro del cañón y concluyó: " Me parece extremadamente dificultoso, sino imposible, formarme alguna idea de que algo distinto al movimiento sea capaz de excitarse y comunicarse en la misma forma que el calor calor se excitá y se comunicó en estos experimentos&;".

Pero no fue hasta que J.P Joule publicó un artículo definitivo en 1847 que la idea de calórico fue abandonada, Joule presentó que el calor es una forma de energía. Como un resultado de los experimentos de Rumford, Joule y otros se demostraró (tal como Helmholtz declaró explícitamente en 1847) que varias formas de energías pueden ser transformadas en otras.

Cuando el calor es transformado en alguna otra forma de energía, o cuando otra forma de energía es transformada en calor, la cantidad total de energía (calor más otras formas) en el sistema es constante.

Esta es la Primera Ley de la Termodinámica, la conservación de la energía. Para expresar esto de otra manera; no hay forma posible, bien sea mecánica, térmica, química u otra, de obtener una máquina de movimiento perpetuo que sea capaz de crear su propia energía (¡excepto en el mundo fantástico de Mauricio Escher's "Waterfall"!).

Una segunda afirmación se puede hacer acerca de como opera una máquina. Una máquina de vapor usa calor para producir trabajo. ¿Es posible convertir completamente el calor en trabajo haciendo la máquina 100% eficiente?. La respuesta a esto fue encontrada a través de la Segunda Ley de la Termodinámica.

Ninguna máquina cíclica puede convertir totalmente la energía calórica en otra forma de energía. No es posible construir una máquina cíclica que no haga más nada excepto convertir calor en energía mecánica.

La Segunda Ley de la Termodinámica implica la irreversibilidad de ciertos procesos (no sería necesario si se pudiese convertir todo el calor en energía mecánica) ¡aunque es posible tener una máquina cíclica que no haga más nada que convertir la energía mecánica en calor!

Sadi Carnot (1796-1832) dirigió investigaciones teóricas sobre eficiencias de máquinas de calor (una máquina que utiliza el calor y convierte algo del calor en trabajo). El trató de modelar la máquina de calor más eficiente posible. Su trabajo teórico dio la base para las mejoras prácticas en la ingeniería de vapor y también fijó los fundamentos de la termodinámica. El describió una máquina ideal llamada máquina de Carnot, que es la máquina más eficiente que puede ser construida. La eficiencia de tal máquina puede ser obtenida por:

eficiencia=1-T"/T'.

donde las temperaturas T' y T" son los reservorios caliente y frío respectivamente entre los cuales la máquina opera. Sobre esta escala de temperatura, la máquina de calor operaría al 100% de eficiencia si la temperatura del reservorio frío fuese cero. Esto es una definición de cero absoluto y es idéntica a la expresada anteriormente. La escala de temperatura es llamada absoluta, termodinámica o Kelvin.

La manera como la temperatura de gas y la temperatura termodinámica son definidas es idéntica y está basada en una interpretación microscópica de temperatura, la cual postula que la cantidad medida macroscópicamente llamada temperatura es el resultado del movimiento aleatorio de las partículas microscópicas que forman el sistema.

Teoría Cinética.

Este resumen fue tomado de uno más detallado que se encuentra en "Temperature" de Quinn.

Al mismo tiempo que la termodinámica fue evolucionando, James Clerk Maxwell(1831-1879) y Ludwig Boltzmann (1844-1906) desarrollaron una teoría que describía la manera como se mueven las moléculas (dinámica molecular). Las moléculas que forman un gas perfecto se mueven golpeándose unas con otras semejantes a unas bolas de billar y arremetiendo contra la superficie que contiene el gas. La energía asociada con este movimiento se llama Energía Cinética y este acercamiento cinético al comportamiento de gas ideal permite hacer una interpretación del concepto de temperatura a nivel microscópico.

La cantidad de energía cinética que tiene cada molécula es función de su velocidad, para un gran número de moléculas es un gas (aún a baja presión) se toma un rango de velocidades en algún instante de tiempo. La magnitud de la velocidad puede variar mucho (no es de esperarse que dos partículas tengan la misma velocidad). De alguna manera unas se mueven muy rápido y otras muy lento, Maxwell encontró que pueden ser representadas como una función estadística de velocidades llamada Distribución Maxwelliana.Las colisiones de las moléculas con el recipiente elevan la presión del gas. Considerando una fuerza promedio ejercida por colisión de las moléculas con el recipiente, Boltzmann pudo calcular una energía cinética promedio de las moléculas que se relaciona directamente a la presión, y a mayor energía cinética mayor presión. De la Ley de Boyle se sabe que la presión es directamente proporcional a la temperatura con lo cual la energía cinética se relaciona directamente con la temperatura del gas mediante la siguiente expresión:

Energía cinética promedio=3kT/2.

Donde k es la constante de Boltzmann. La temperatura es una medida de energía del movimiento térmico y a temperatura cero la energía alcanza un mínimo (el punto de movimiento cero se alcanza a 0 K).

En Julio de 1995, físicos en Boulder, Colorado, registraron la temperatura más baja producida hasta ahora y crearon un nuevo estado de la materia predicho décadas atrás por Albert Einstein y Satyendra Nath Bose. Este artículo expresa la naturaleza de este experimento.

Un sistema que tiene gran número de moléculas requiere un acercamiento estadístico a el problema. Alrededor de 1902 J. W. Gibbs (1839 -1903) introdujo la mecánica estadística con la cual demostró como el valor promedio de las propiedades de un sistema pueden ser predichas haciendo un análisis del valor más probable de esas propiedades evaluada en un gran número de sistemas idénticos (llamado total). Nuevamente, en la interpretación mecánico-estadística de la termodinámica , el parámetro clave es una temperatura que pueda relacionarse directamente con la temperatura termodinámica, con la distribución de Maxwell y con la ley de gas perfecto.

La temperatura es una cantidad que puede ser definida o en términos de cantidades termodinámicas macroscópicas tales como calor y trabajo o con igual validez e idénticos resultados, en términos de una cantidad caracterizada por la distribución de energía de una cantidad de partículas en un sistema. (Quinn "Temperature").

Entendiendo este concepto de temperatura, es posible explicar como el calor (energía térmica) fluye de un cuerpo a otro. La energía térmica es llevada por las moléculas en forma de movimiento y algunas de ellas, a través de la colisión molecular, se lo transfieren a otras moléculas de un segundo objeto que se pone en contacto con ellas. Este mecanismo de transferencia de energía térmica se le llama conducción.

Un segundo mecanismo de transporte de calor es ilustrado por una olla de agua que se coloca sobre una estufa. La convección envuelve el movimiento real de las moléculas más energéticas de un líquido o un gas.

La tercera manera en que el calor puede ser transferido de un cuerpo a otro es por radiación, esta es la manera como el sol calienta la tierra. La radiación fluye del sol a la tierra, y parte de ella es absorbida calentando la superficie. El mayor dilema de los físicos, desde la época de Newton, era como explicar la naturaleza de la radiación.