La història de la termodinàmica és un dels capítols més rellevants de la ciència moderna. Des de la Revolució Industrial fins als nostres dies, aquesta disciplina no només ha transformat la física i la química, sinó que també ha impulsat avenços tecnològics que han modelat la societat tal com la coneixem.
Determinats conceptes clau com l'energia, la calor i l'eficiència han evolucionat al llarg de segles, amb aplicacions en àrees que van des de la generació d'electricitat fins al desenvolupament d'energies renovables, com ara la solar.
La importància de la termodinàmica rau en la seva capacitat per explicar fenòmens que succeeixen al nostre voltant, com ara la transferència de calor entre objectes o l'eficiència dels motors que utilitzem a la nostra vida diària. A més, aquesta branca de la física va tenir un paper destacat per resoldre un dels problemes més estudiats de la ciència: la naturalesa de lenergia i com podem aprofitar-la.
Al llarg de la seva història, la termodinàmica ha desenvolupat un paper destacat a l'estudi del món físic, vinculant fenòmens que semblaven separats i donant lloc a una nova manera d'entendre l'energia.
Des de les antigues civilitzacions fins a la màquina de vapor
Tot i que el terme “termodinàmica” no va ser encunyat fins al segle XIX, els éssers humans han estat utilitzant i explorant principis relacionats amb la calor i l'energia durant mil·lennis, molt abans que existissin termes científics que els descriguessin.
Les antigues civilitzacions no comprenien la termodinàmica tal com la coneixem avui, però aplicaven principis fonamentals de la transferència de calor i l'energia a la seva vida quotidiana i en tecnologies primitives.
Les civilitzacions antigues i ús de la calor
Una de les primeres aplicacions de la calor per l'ésser humà es remunta a l'edat de pedra, quan els nostres avantpassats van aprendre a controlar el foc. El foc va ser una de les primeres fonts denergia tèrmica utilitzada pels humans i va jugar un paper crucial en levolució humana.
L'ús del foc per cuinar aliments, escalfar refugis i treballar materials (com l'enduriment d'eines de pedra o la fosa de metalls) és un exemple clar de com les primeres civilitzacions van aprofitar la transferència de calor per millorar-ne la qualitat de vida.
A l'antic Egipte, al voltant del 2000 aC, es feia servir la calor del sol per deshidratar aliments i fabricar productes com la sal a partir d'aigua salada. Els egipcis també van construir forns rudimentaris que utilitzaven fusta com a combustible per a la cocció de ceràmiques i la fosa de metalls. Aquesta tècnica va impulsar el desenvolupament de la metal·lúrgia, especialment en la creació d'eines i armes de coure i posteriorment de bronze.
Per la seva banda, els grecs i els romans van desenvolupar tecnologies que aplicaven la calor de manera més sofisticada. Els romans, per exemple, van dissenyar els famosos sistemes de calefacció per hipocaust, que utilitzaven la calor generada per forns subterranis per escalfar l'aire que circulava sota els terres i les parets dels banys i edificis.
Edat Mitjana i el Renaixement
Durant l'Edat Mitjana, en particular al món islàmic, els alquimistes van començar a desenvolupar forns més avançats ia utilitzar la calor en processos químics rudimentaris.
Al segle XVI, l'inventor i matemàtic italià Giambattista della Porta va descriure al seu llibre "Magia Naturalis" els primers experiments per convertir l'energia de la calor en moviment. Encara que rudimentari, el seu treball va incloure dispositius que feien servir la calor per generar petites quantitats de vapor, encara que no en un sistema aprofitable en termes de treball mecànic.
Un altre personatge important en aquesta època va ser el físic irlandès Robert Boyle, conegut per la famosa llei de Boyle, que descriu la relació entre el volum i la pressió d'un gas a temperatura constant. Boyle i altres científics de l'època van començar a fer experiments que relacionaven la calor i el moviment dels gasos.
Les màquines de vapor
Encara que les primeres màquines de vapor van ser desenvolupades al segle XVII, va ser a partir del segle XVIII que van començar a perfeccionar-se.
El 1698, l'enginyer anglès Thomas Savery va desenvolupar una màquina de vapor per bombar aigua fora de les mines de carbó que va significar un punt d'inflexió en l'evolució de la història de la termodinàmica. El disseny de Savery feia servir la pressió del vapor per crear un buit, cosa que permetia que l'aigua ascendís a través d'una canonada. Va ser un dels primers exemples de la història d'una màquina que convertia l'energia tèrmica en un treball útil.
Uns anys després, el 1712, Thomas Newcomen va millorar la màquina de Savery amb la invenció del seu propi motor de vapor, conegut com el motor de Newcomen. Aquest dispositiu utilitzava el vapor per moure un pistó en un cilindre, cosa que augmentava l'eficiència del sistema per bombar aigua.
Tot i això, el veritable salt en l'eficiència de les màquines de vapor va arribar el 1769, quan James Watt, un enginyer escocès, va introduir importants millores al disseny de Newcomen. Watt va afegir un condensador separat, cosa que va permetre reduir significativament les pèrdues d'energia i augmentar l'eficiència de la màquina.
El salt a la Revolució Industrial
Aquesta millora de la màquina de James Watt revolucionària va permetre que les màquines de vapor no només es fessin servir per bombar aigua, sinó també per impulsar maquinària a fàbriques, mines i, eventualment, locomotores i vaixells.
Aquí és on entra l'enginyer francès Sadi Carnot, que el 1824 va publicar "Reflexions sobre la potència motriu del foc", un dels textos fundacionals de la termodinàmica.
Carnot va ser el primer a analitzar científicament com una màquina de vapor podia convertir la calor en feina i ho va fer establint un cicle teòric ideal: el famós cicle de Carnot. Aquest cicle estableix els límits de leficiència de qualsevol màquina tèrmica, mostrant que no tota la calor pot transformar-se en treball, i que sempre hi ha una pèrdua denergia. La seva obra va marcar una fita, i fins avui continua sent una referència clau en enginyeria i física.
Lord Kelvin i la segona llei de la termodinàmica
El 1848, el físic britànic William Thomson, més conegut com a Lord Kelvin, va aportar un altre gran avenç en la història de la termodinàmica en proposar l'escala de temperatura absoluta, coneguda avui com l'escala Kelvin. Aquesta escala va permetre unificar la manera com mesurem la temperatura a tot el món, i encara és imprescindible en la ciència i l'enginyeria moderna. Més tard, Lord Kelvin també va treballar en allò que es convertiria en una de les idees més revolucionàries de la termodinàmica: la segona llei.
La segona llei de la termodinàmica afirma que en qualsevol procés que involucri una transferència d'energia, sempre hi haurà un augment en l'entropia del sistema, és a dir, el “desordre” o “caos”. Aquest principi és clau per entendre per què certs processos són irreversibles. Per exemple, quan una tassa de cafè calenta es refreda, és impossible que per si sola torni a escalfar-se; l'energia es dissipa i no es pot recuperar íntegrament.
Aquesta idea de l'entropia va introduir un concepte que desafiava les nocions clàssiques de la física: no tots els processos són perfectament reversibles, i sempre hi ha una certa "pèrdua" d'energia en forma de calor. Aquest concepte no només va ser clau per a la física, sinó que també va establir les bases per a una apreciació més gran de l'eficiència energètica, un concepte de creixent importància en el context actual de sostenibilitat i conservació de recursos.
Joule i Clausius: Una visió moderna de l'energia
En paral·lel als treballs de Lord Kelvin, un altre físic destacat, James Prescott Joule, va fer experiments clau que van permetre establir de l'equivalència entre la calor i el treball. Fins a mitjans del segle XIX, molts científics creien en l'existència d'una substància anomenada “calòric”, que era responsable de la transferència de calor. Tot i això, Joule va demostrar que la calor no era una substància, sinó una forma d'energia.
El treball de Joule va ser bàsic per a la formulació de la primera llei de la termodinàmica, també coneguda com la llei de conservació de lenergia. Aquesta llei estableix que l'energia no es crea ni es destrueix, sinó que simplement es transforma d'una manera a una altra.
Un altre nom essencial en aquesta època és el del físic alemany Rudolf Clausius, que el 1855 va refinar el concepte d'entropia i va aprofundir l'estudi dels processos reversibles i irreversibles. Clausius va ser el primer a introduir la desigualtat de Clausius, que formalitza matemàticament la segona llei de la termodinàmica i va permetre als científics avançar en l'estudi dels sistemes termodinàmics més complexos.
Willard Gibbs i la representació gràfica de la termodinàmica
Un dels avenços més significatius en la història de la termodinàmica va venir de la mà del físic nord-americà Willard Gibbs. El 1876, Gibbs va publicar la seva obra mestra "Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies", on va presentar una metodologia per representar gràficament sistemes termodinàmics.
El treball de Gibbs va permetre visualitzar com interactuen les variables com l'energia, l'entropia, la temperatura, la pressió i el volum en un sistema.
L'enfocament gràfic de Gibbs va ser revolucionari perquè va permetre estudiar de manera més accessible i pràctica els sistemes complexos, especialment els que impliquen reaccions químiques. Aquest mètode és clau en la termodinàmica química i continua sent rellevant avui dia, especialment en lestudi de sistemes de múltiples fases i la predicció de lesponacions de les reaccions.
De la termodinàmica clàssica a les energies renovables
L´impacte de la termodinàmica no es va limitar a les màquines tèrmiques del segle XIX. Al segle XX, la termodinàmica va començar a tenir aplicacions en una varietat de camps més amplis, inclosos els motors de combustió interna, les turbines de gas i els sistemes de refrigeració.
Un dels camps on la termodinàmica hi juga un paper essencial és en el desenvolupament de les energies renovables, particularment l'energia solar tèrmica. A finals del segle XVIII, el físic suís Horace Bénédict de Saussure va construir el primer col·lector solar, un dispositiu que capturava la radiació solar i la convertia en calor. Aquest invent va ser pioner i va demostrar que lenergia solar podia ser utilitzada per generar calor, sentant les bases per al desenvolupament de les tecnologies solars modernes.
Avui dia, les plantes solars tèrmiques, que utilitzen miralls o lents per concentrar la llum solar i generar vapor, depenen completament dels principis de la termodinàmica per maximitzar-ne l'eficiència. El vapor resultant daquests sistemes mou una turbina, produint electricitat. La segona llei de la termodinàmica també exerceix un paper clau aquí, ja que imposa límits a leficiència de conversió denergia tèrmica en treball útil. A mesura que el món avança cap a un futur més sostenible, l'ús eficient de l'energia solar i altres fonts renovables ha esdevingut essencial, i la termodinàmica continuarà sent una eina clau en aquest esforç.
Les arrels filosòfiques de la termodinàmica
La fascinació per la calor i lenergia no és exclusiva de lera moderna. Els antics grecs, per exemple, ja debatien la naturalesa de la calor i els elements que componien l'univers. Filòsofs com Heràclit postulaven que el foc era un dels elements fonamentals, juntament amb la terra, l'aigua i l'aire.
Més tard, pensadors com Leucipo i Demòcrit van introduir la idea de l'atomisme, una teoria que sostenia que tota la matèria estava composta per petites partícules indivisibles anomenades àtoms. Encara que aquesta teoria no es relacionava directament amb la termodinàmica als seus inicis, els desenvolupaments posteriors a la mecànica estadística durant el segle XIX i XX van vincular aquestes dues branques de la física.
La mecànica estadística, que va sorgir com una extensió de la termodinàmica, va permetre als científics explicar com el comportament macroscòpic dels sistemes, com ara la temperatura o la pressió, emergia de les interaccions microscòpiques d'àtoms i molècules. Aquesta relació entre el que és gran i el que és petit és un recordatori de com els avenços científics sovint es construeixen sobre segles de pensament filosòfic i descobriment.