Farem un viatge per la història de la termodinàmica, aquesta part de la física que estudia la calor, l'energia i com aquestes es transformen.
Per entendre com arribem a saber tant sobre aquest tema, és important conèixer les grans ments que van fer importants descobriments.
Parlarem dels científics més destacats de la termodinàmica, les seves vides, algunes curiositats, i el paper fonamental que van jugar en l'evolució d'aquesta ciència.
Sadi Carnot (1796-1832) – El pare de la termodinàmica
Comencem amb un dels més importants, el francès Sadi Carnot .
A Carnot se'l considera un dels pioners de la termodinàmica, tot i que no va arribar a veure el desenvolupament complet d'aquesta ciència, ja que va morir jove als 36 anys, víctima del còlera. Carnot va néixer a París, en una família amb fortes connexions polítiques i científiques, cosa que li va permetre estudiar a les millors institucions de l'època, com l'Escola Politècnica de París.
El que fa Carnot tan important és que va ser el primer a entendre com funcionaven les màquines tèrmiques, és a dir, aquelles que converteixen calor en feina.
Al seu famós llibre "Reflexions sobre la potència motriu del foc" (1824), va proposar que les màquines de vapor no podien funcionar sense una diferència de temperatura entre una font calenta i una freda. Bàsicament, el motor de vapor necessitava una "corrent" de calor des del calent fins al fred per fer feina útil.
A més, Carnot va introduir el concepte del "cicle de Carnot", un cicle teòric que descrivia com operar la màquina tèrmica més eficient possible.
Una dada curiosa de Carnot és que mai va ser completament valorat a la seva època. De fet, va morir a l'anonimat, i només anys més tard les seves idees serien reconegudes i compreses en la seva totalitat.
Va ser més aviat un visionari que, tot i morir jove, va deixar una empremta que canviaria el rumb de la física.
James Prescott Joule (1818-1889) – L'home de l'energia
Passem ara a un nom molt conegut: James Prescott Joule , un físic anglès que va néixer en una família acomodada.
La família Joule tenia una cerveseria, però James des de jove va demostrar ser més un home de ciències que un amant de la cervesa. A ell se li atribueix la famosa llei de la conservació de l'energia, una cosa bàsica a la termodinàmica.
Joule va realitzar experiments en què demostrava que l'energia mecànica i la calor estan relacionats , és a dir, es poden transformar una a l'altra. Aquest descobriment va portar a la formulació del primer principi de la termodinàmica, que estableix que lenergia no es crea ni es destrueix, només es transforma.
Ho va fer realitzant experiments força rudimentaris però enginyosos, com el famós experiment del molí d'aigua, on mesurava la calor generada en agitar aigua mitjançant un sistema de peses i politges.
El més curiós de Joule és que, malgrat haver realitzat experiments tan importants, no era un científic acadèmic formal. Joule no treballava a cap universitat, sinó que era autodidacta i finançava els seus propis experiments, fins i tot construint el seu propi equip de laboratori.
A més, li agradava tant la ciència que fins i tot mesurava la temperatura de l'aigua mentre estava de vacances als Alps.
Rudolf Clausius (1822-1888) – El senyor de l'entropia
Un altre nom essencial en la història de la termodinàmica és el físic alemany Rudolf Clausius .
A Clausius li devem el concepte d' entropia , una paraula que probablement has escoltat a classe de física o química. Va néixer en una petita ciutat del que avui és Polònia, però va estudiar a Berlín i més tard va ensenyar a universitats alemanyes.
El 1850, Clausius va reformular les idees de Carnot i de Joule, proposant el segon principi de la termodinàmica , el qual diu que, en qualsevol procés natural, l'entropia de l'univers sempre augmenta. L'entropia, de manera senzilla, és una mesura de desordre: com més entropia, més caòtic és un sistema.
Clausius es va adonar que, encara que l'energia es conserva (primer principi de la termodinàmica), la qualitat d'aquesta energia canvia, i sempre hi ha una part que es “perd” en forma de calor no utilitzable.
Clausius també va tenir un paper important en la unificació de l'estudi de la calor amb l'electricitat i la teoria cinètica dels gasos. De fet, va ser un defensor clau de la teoria atòmica quan aquesta encara era controvertida.
William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) – L'home del fred extrem
Ara parlem d'un científic britànic que és pràcticament una llegenda, William Thomson , més conegut com a Lord Kelvin . Segur que alguna vegada has sentit a parlar dels graus Kelvin, la unitat de mesura de temperatura que porta el seu nom. Doncs bé, Lord Kelvin va ser un dels físics més grans del seu temps i va aportar molt a la termodinàmica.
Kelvin va ser un dels primers a establir una escala de temperatura absoluta , el que coneixem avui com l'escala Kelvin. En aquesta escala, el zero absolut (-273,15 ºC) és la temperatura més baixa possible, on les molècules no tenen energia cinètica i tot s'atura.
Això va ser una fita perquè fins aquell moment, totes les escales de temperatura eren relatives, com els graus Celsius o Fahrenheit.
A més, Kelvin va treballar juntament amb Joule al famós experiment Joule-Thomson, on van demostrar que quan un gas s'expandeix sense fer feina, la seva temperatura disminueix, un fenomen clau per entendre com refredar gasos i, per tant, crear sistemes de refrigeració moderns.
Com a dada curiosa, Kelvin va ser un apassionat dels cables submarins, i va ajudar a instal·lar el primer cable telegràfic transatlàntic, cosa que va permetre la comunicació instantània entre Europa i Amèrica.
No era només un teòric, sinó que li agradava aplicar els coneixements de la física a l'enginyeria i la tecnologia pràctica.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) – L'estadística dels àtoms
Passem ara a un personatge molt interessant i, per a molts, tràgic: el físic austríac Ludwig Boltzmann .
Boltzmann és conegut per ser el creador de la mecànica estadística , una teoria que explica com les propietats macroscòpiques dels sistemes, com la temperatura i la pressió, sorgeixen de les interaccions de moltes partícules individuals.
Boltzmann va ser un dels primers a defensar la idea que la matèria està composta per àtoms i molècules, cosa que avui donem per fet, però que a la seva època era molt debatut.
Usant aquesta idea, va poder explicar la segona llei de la termodinàmica en termes de probabilitat: els sistemes tendeixen al desordre (augmenten la seva entropia) perquè és estadísticament més probable que les partícules es distribueixin de manera desordenada que de manera ordenada.
Tristament, Boltzmann va tenir una vida personal difícil. Tot i les seves brillants contribucions a la física, va ser fortament criticat per alguns dels seus col·legues que no acceptaven la idea dels àtoms.
Aquesta pressió, juntament amb altres problemes personals, el van portar a suïcidar-se el 1906. Avui dia, Boltzmann és recordat com un dels pares de la física moderna, i la seva equació S=k⋅lnW, que relaciona l'entropia amb la probabilitat, està gravada a la seva làpida.
Josiah Willard Gibbs (1839-1903) - El mestre de l'energia lliure
El següent a la nostra llista és el nord-americà Josiah Willard Gibbs , un científic que va ser un geni en matemàtiques i física, però que va viure una vida força tranquil·la i sense gaires excentricitats.
Gibbs no va ser tan famós a la seva època, en part perquè el seu treball era molt abstracte, però les seves idees són fonamentals per a la termodinàmica i la química moderna.
Gibbs va introduir el concepte d' energia lliure , que és una mesura de la quantitat de treball útil que un sistema pot fer. L'energia lliure de Gibbs permet entendre com tenen lloc les reaccions químiques i els processos termodinàmics. Gràcies a ell, els científics van poder predir quines reaccions serien espontànies i quines no.
Encara que Gibbs no viatjava gaire i preferia quedar-se al seu laboratori a Yale, les seves contribucions es van estendre per tot el món.
Com a curiositat, era tan modest que quan els seus col·legues van intentar donar-li un premi, es va sentir incòmode i el va rebutjar. Tot i així, el seu nom és fonamental en la història de la termodinàmica.