Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Història de la termodinàmica, línia del temps i origen

Història de la termodinàmica, línia del temps i origen

La història de la termodinàmica és una etapa fonamental a la història de la física, la química i la història de la ciència en general. Aquest concepte també està vinculat als avenços tecnològics com la generació d'electricitat i l'aprofitament de l'energia tèrmica.

El desenvolupament de la termodinàmica va continuar i va continuar amb la teoria atòmica. A més, amb un enfocament enginyós, va mobilitzar noves direccions en probabilitat i estadística; veure, per exemple, la línia de temps de la termodinàmica.

Què és la termodinàmica?

La termodinàmica és la branca de la física clàssica que estudia i descriu les transformacions termodinàmiques induïdes per la calor i el treball en un sistema termodinàmic.

Aquestes transformacions són el resultat de processos termodinàmics que impliquen canvis a les variables d'estat de temperatura i energia.

Línia del temps de la termodinàmica

La història de la termodinàmica marca els seus inicis el 1824.

El 1824, Sadi Carnot va ser el primer a demostrar que es pot obtenir treball de l'intercanvi de calor entre dues fonts a diferents temperatures. A través del teorema de Carnot i la màquina ideal de Carnot (basada al cicle de Carnot) va quantificar aquest treball i va introduir el concepte d'eficiència termodinàmica.

El 1848, Lord Kelvin, utilitzant la màquina de Carnot, va introduir el concepte de temperatura termodinàmica efectiva i és responsable d'una declaració del segon principi de la termodinàmica.

El 1850 James Prescott Joule va demostrar la igualtat de les dues formes d'energia (llavors es creia que el líquid calòric encara existia).

Havent arribat a això, es va plantejar el problema que, si fos possible obtenir la calor total de la feina, no hagués estat possible obtenir l'invers. Clausius va arribar a la mateixa conclusió el 1855 quan presenta la seva desigualtat per reconèixer processos reversibles dels irreversibles i estat de la funció de l'entropia.

El 1876 Willard Gibbs va publicar el tractat "Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies" (Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies). En aquest tractat mostrava com un procés termodinàmic podria representar-se gràficament i com estudiar així l'energia, l'entropia, el volum, la temperatura i la pressió es podrien preveure l'eventual espontaneïtat del procés considerat.

El cas de la termodinàmica és emblemàtic en la història i en l'epistemologia de la ciència: és un d'aquests casos en què la pràctica ha estat pioner en la mateixa teoria: la primera està dissenyada per a la màquina de vapor, a continuació, se'n va sistematitzar el funcionament teòric a través dels seus principis bàsics.

El 1967 apareixen les primeres màquines de vapor. En aquest moment, l'estudi de la termodinàmica tenia una aplicació pràctica a la indústria que més tard va desencadenar la Revolució Industrial.

Quin és lorigen de la termodinàmica?

Les civilitzacions antigues veien la calor com una cosa relacionada amb el foc. 

Els antics egipcis consideraven que la calor estava relacionada amb orígens mitològics. En la tradició filosòfica occidental, Empedocles va proposar una teoria de quatre elements, en què totes les substàncies deriven de la terra, l'aigua, l'aire i el foc. Al voltant del 500 a. C., el filòsof grec Heràclit va argumentar que els tres elements principals a la natura eren foc, terra i aigua.

En el període modern, es pensava que la calor era una mesura d'un fluid invisible, conegut com a calòric. Els cossos van ser capaços de contenir una certa quantitat d'aquest fluid, cosa que va portar al terme capacitat de calor.

Els científics europeus Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileu Galilei i Santori Santori als segles 16 i 17 van poder mesurar la relativa fredor o calor de l'aire, utilitzant un termòmetre d'aire rudimentari.

Als segles XVIII i XIX, els científics van abandonar la idea d'un calòric físic i, en canvi, van entendre la calor com a manifestació de l'energia interna d'un sistema. Avui la calor és la transferència denergia tèrmica desordenada.

Les bases de la teoria atòmica

La teoria atòmica és una teoria física que suposa que tot al món consisteix en les partícules més petites: àtoms, units entre si per forces nuclears i elèctriques. Al segle XX, es va demostrar a la pràctica que un àtom pot dividir-se en partícules subatòmiques encara més petites.

L'atomisme és una part central de la relació actual entre la termodinàmica i la mecànica estadística. Els pensadors antics com Leucip i Demòcrit, i més tard els epicuris, en avançar l'atomisme, van establir les bases per a la teoria atòmica posterior.

Fins que la prova experimental dels àtoms es va proporcionar més tard al segle XX, la teoria atòmica i els models atòmics van ser impulsats en gran mesura per consideracions filosòfiques i intuïció científica.

La concepció del buit

El filòsof grec Parmènides del segle V aC, utilitza el raonament verbal per postular que un buit, essencialment el que ara es coneix com a buit, a la natura no podria passar. Aquesta opinió va ser recolzada pels arguments d'Aristòtil, però va ser criticada per Leucipo i Heroi d'Alexandria.

Des de l'antiguitat fins a l'edat mitjana, es van presentar diversos arguments per provar o desaprovar l'existència d'un buit i es van fer diversos intents per construir buit, però tots van resultar infructuosos.

El 1643, Galileu Galilei creia que l'avorriment del buit de la natura és limitat. Les bombes que operen en mines ja havien demostrat que la natura només ompliria un buit amb aigua fins a una alçada de 30 peus. Coneixent aquest curiós fet, Galileu va encoratjar el seu antic alumne Evangelista Torricelli a investigar aquestes suposades limitacions.

Aparició de les primeres màquines tèrmiques

El físic i químic irlandès Robert Boyle el 1656, en coordinació amb el científic anglès Robert Hooke, va construir una bomba d'aire. En utilitzar aquesta bomba, Boyle i Hooke van notar la correlació pressió-volum: PV = constant.

En aquell temps, se suposava que l'aire era un sistema de partícules immòbils i no s'interpretava com un sistema de molècules en moviment.

El concepte de moviment tèrmic va sorgir dos segles després. Més tard, després de la invenció del termòmetre, la temperatura de la propietat es podria quantificar. Aquesta eina va donar a Gay-Lussac l'oportunitat de derivar la seva llei, que va conduir poc després a la llei dels gasos ideals.

Però ja abans de l'establiment de la llei dels gasos ideals, un associat de Boyle anomenat Denis Papin va construir el 1679 un digestor ossi, que és un recipient tancat amb una tapa ben ajustada que confina el vapor fins que es genera una alta pressió.

Els dissenys posteriors van implementar una vàlvula dalliberament de vapor per evitar que la màquina explotés. En observar com la vàlvula es movia rítmicament cap amunt i cap avall, Papin va concebre la idea d'un motor de pistó i cilindre, un motor alternatiu.

Qui va inventar la màquina de vapor?

El 1697, l'enginyer Thomas Savery va construir el primer motor de vapor basat en els dissenys de Papin.

Tot i que aquests primers motors eren ineficients, van atraure l'atenció dels principals científics de l'època. Un d'aquests científics va ser Sadi Carnot, el pare de la termodinàmica, que el 1824 va publicar Reflexions sobre el poder motriu del foc, un discurs sobre la calor, la potència i l'eficiència del motor.

Això marca el començament de la termodinàmica com a ciència moderna.

Als anys següents, es van construir més variacions de motors de vapor, com el Newcomen Engine i més tard el Watt Engine.

Amb el temps, aquests primers motors eventualment es farien servir en lloc de cavalls. Per tant, cada motor va començar a associar-se amb una certa quantitat de “potència de cavall” depenent de quants cavalls havia reemplaçat.

El principal problema amb aquests primers motors va ser que eren lents i maldestres, convertint menys del 2% del combustible fòssil dentrada, generalment carbó, en treball útil. Per això va néixer la necessitat d'una nova ciència de la dinàmica del motor.

Ús de la termodinàmica a l'energia solar

La història de la termodinàmica té un paper fonamental en el camp de lenergia solar i concretament en lenergia solar tèrmica. L'aprofitament de la radiació solar per obtenir calor es va començar a utilitzar a l'antiguitat. Les cultures primitives la utilitzaven sense tenir-ne consciència.

Més endavant, diferents civilitzacions han desenvolupat la seva arquitectura per aprofitar la calor solar de manera eficient, com es detalla en la història de l'energia solar. Es tracta del que actualment s'anomena energia solar passiva.

Al voltant de 1767, Horace Bénédict De Saussure havia inventat el col·lector solar. Aquest nou col·lector solar va tenir una repercussió determinant en la història de l'energia solar i en el desenvolupament de l'energia solar tèrmica de baixa temperatura. El col·lector solar s'aprofita de la física termodinàmica per fer transferències de calor i transformacions termodinàmiques.

D'aquesta manera les lleis de la termodinàmica van començar a tenir un paper fonamental en el desenvolupament de les energies renovables, concretament de l'energia solar.

Autor:
Data de publicació: 7 de març de 2018
Última revisió: 29 de juny de 2022