Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine (Edimburg 5 de juliol de 1820 - Glasgow 24 de desembre de 1872) va ser un enginyer i físic escocès. Tenia interessos molt diferents; en la seva joventut es va interessar per la botànica, la teoria de la música i la teoria de nombres i en els seus últims anys en matemàtiques i tecnologia.

Juntament amb Rudolf Clausius i William Thomson, es compta entre els fundadors de la termodinàmica. També va desenvolupar la teoria darrere de la màquina de vapor, va introduir conceptes com l' energia cinètica i potencial, i va investigar les ones de xoc i la fatiga de l'metall. Una escala de temperatura porta el nom de William Rankine, coneguda com l'escala de Rankine.

Vida de William John Macquorn Rankine

Rankine era el fill de el soldat professional i més tard l'enginyer civil David Rankine i la filla de l'banquer Barbara Grahame de Glasgow. Era el segon fill, però el seu germà gran va morir a una edat primerenca. A causa de la seva mala salut, se li va ensenyar principalment a casa. Va assistir a l'escola secundària a Ayr i Glasgow només uns pocs anys després que la família es va mudar allí en 1830. En la seva joventut, tenia un gran interès en la música i les matemàtiques. Després de llegir, a l'edat de catorze anys, l'obra més gran d'Isaac Newton, Principia Mathematica (1687) en llatí, es va interessar en ella física.

Als setze anys, el 1836, va començar a estudiar ciències naturals a la Universitat d'Edimburg, on se li va ensenyar, entre altres coses, filosofia natural amb James David Forbes i en història natural amb Robert Jameson. En aquest moment, també va llegir molta feina de filòsofs de la Il·lustració escocesa. A la universitat va rebre dos premis per assajos sobre mètodes d'investigació física i sobre la teoria ondulatòria de la llum, però no va completar el curs.

En 1838 va deixar la universitat i es va convertir en assistent de l'enginyer civil irlandès John Benjamin MacNeill. Va treballar aquí en el disseny de ferrocarrils, la construcció de ports i la construcció de clavegueram. A el mateix temps, va començar a escriure articles que van ser publicats, entre d'altres, per la "Institució d'Enginyers Civils" britànica. En 1855 va ser nomenat professor d'Enginyeria Civil i Enginyeria Mecànica a la Universitat de Glasgow.

Rankine es va convertir en membre de la Royal Society of Edinburgh el 1849 i de la Royal Society a Londres el 1853. També va ser membre de la Royal Swedish Society of Sciences i de l'American American Academy of Arts and Sciences. En 1857 va fundar una branca escocesa de la "Institució d'Enginyers Civils" i va ser el primer president fins a 1870. En 1857, Rankine va rebre un doctorat honorari de Trinity College a Dublín.

Rakine també era un músic talentós i tocava el cello, el piano i cantava. També va escriure poemes, que es van publicar pòstumament com a obres recopilades.

Importància de la feina de Rankine

A més del seu treball com a enginyer civil, Rankine ha realitzat diverses contribucions a la ciència. Va escriure obres estàndard de la mecànica, la teoria i la pràctica de vapor, els principis de l'enginyeria civil i mecànics principis de construcció. Amb això va fer una important contribució a la formalització de les ciències tècniques, que en aquest moment es va convertir en un exemple nacional i internacional d'Europa a Amèrica i Japó.

Una característica especial del seu treball va ser que Rankine va ser capaç de tancar la bretxa entre la pràctica d'enginyeria i la investigació científica. La ciència en aquest moment era principalment pura i abstracta i els enginyers desconfiaven d'ella. En l'esperit de Francis Bacon i Thomas Reid, Rankine va aconseguir fer que la investigació científica sigui útil per a practicar. Per exemple, ha realitzat una important contribució a la termodinàmica amb la seva investigació científica i la construcció de teories. També es va basar en el treball de Benoît Clapeyron, Sadi Carnot i JP Joule.

Investigació en enginyeria mecànica

En part per suggeriment del seu pare, que sabia molt sobre els ferrocarrils, Rankine inicialment es va centrar en l'enginyeria mecànica. La seva primera publicació, de 1842, es va titular "Una investigació experimental sobre l'avantatge de les rodes cilíndriques en els ferrocarrils". A l'any següent va presentar un article sobre la fatiga de l'metall que va ocórrer en els eixos de les locomotores. Va mostrar que les ruptures en els eixos van sorgir per la degeneració progressiva, que la fatiga (cansament esmentat). Aquest fenomen es va produir principalment amb transicions brusques en l'estructura, i va aconsellar completar aquestes transicions.

En el camp de l'estàtica, ha desenvolupat mètodes per calcular la distribució de forces en les estructures dels edificis i ha realitzat investigacions sobre l'estabilitat dels edificis. També va estudiar hidrodinàmica i disseny de vaixells.

L'objecte de la física

A més de les seves contribucions a les ciències tècniques, Rankine va començar la seva investigació en ciències naturals en el transcurs dels anys 40 de segle XIX. Rankine havia estat fascinat per les màquines de vapor des de molt jove, que havia adquirit una nova dimensió a través del seu treball amb els ferrocarrils. Va buscar lleis fonamentals a través d'experiments amb processos termodinàmics. Rankine va ser encara més lluny en els seus pensaments i va filosofar sobre la naturalesa de l'univers i l'objecte de la física. Per exemple, en 1852 va declarar el que després es cridaria la llei de conservació de l'energia:

"L'evidència experimental s'està acumulant cada dia, o una llei que ha conjecturat que hi ha una cama llarga", tots els diferents tipus d'energia física en l'univers són mútuament convertibles, "que la quantitat total d'energia física, ja sigui en forma del moviment visible i la potència mecànica, o de calor, llum, magnetisme, electricitat, o agència química, o en altres formes encara no enteses, són immutablement les transformacions de les seves diferents porcions d'una d'aquestes formes de poder a una altra, i la seva transferència d'una part de la matèria a una altra, constituint els fenòmens que són els objectes de la física experimental ".

Rankine va veure una connexió entre la totalitat dels fenòmens físics de el moviment visible i l'energia mecànica, calor, llum, magnetisme, electricitat i energia química. Més tard va resoldre la idea de la intercanviabilitat de totes aquestes formes d'energia i les lleis subjacents a això en la seva teoria sobre l'energia. Per fer discutible aquest conjunt de fenòmens físics, va tenir una hipòtesi de vèrtebres moleculars per a descriure l'estructura molecular de la matèria. El nom de el cicle de Rakine deu el seu nom a l'físic escocès.

Hipòtesi de vèrtebres moleculars

Una suposició central en el treball científic de Rankine va ser la seva hipòtesi de les vèrtebres moleculars (remolins a escala molecular), també anomenada "teoria centrífuga de l'elasticitat". Segons aquesta hipòtesi, tota la matèria consistia en molècules formades per nuclis atòmics envoltats per una atmosfera elàstica, que es mantenia en el seu lloc mitjançant forces atractives. Rankine a més es va aproximar al fet que la calor era una mena de vibració de l'atmosfera que girava al voltant de l'nucli atòmic i la llum era, de fet, una vibració que va sorgir de el moviment dels nuclis atòmics i es va propagar encara més gràcies a l'atracció i repulsió mútua d'aquests nuclis. Rankine va atribuir propietats mecàniques a l'atmosfera mateixa. Segons ell,

Aquesta hipòtesi li va oferir un model per a la seva teoria sobre la llum i la calor. Va explicar la doble refracció de la llum com la transferència de moviment de l'atmosfera als nuclis atòmics i viceversa. També va venir d'aquesta hipòtesi als seus comparacions sobre gas i calor. Va donar un pas més i va treballar en una teoria general de l'acció mecànica que podria generar calor. Ell va demostrar que certa quantitat de calor va desaparèixer i va arribar a la seva pròpia formulació de la segona llei de la termodinàmica. Aquesta hipòtesi no va jugar un paper en la teoria de les màquines de vapor de Rankine, però sí va tornar a la teoria de l'energia de Rankine que seria important en la insdustria de les centrals tèrmiques i de l'energia solar tèrmica.

Aquesta hipòtesi va tenir certa influència en el moment. James Clerk Maxwell, per exemple, la va usar en el seu article "Sobre línies físiques de força" de 1861. Va suposar que les línies magnètiques de força en una substància eren transportades per un mar de vèrtebres moleculars, que consisteixen en part en èter i en part en matèria ordinària.

Teoria i efectes de la termodinàmica

Segons la seva hipòtesi de les vèrtebres moleculars en 1849, havia trobat la connexió entre la pressió de vapor saturat i la temperatura. A l'any següent va trobar algunes connexions entre les quantitats de temperatura, pressió i densitat de gas i va descriure la calor latent després de l'evaporació d'un líquid. Rankine va predir correctament que la calor específica de l'vapor saturat seria negatiu.

Rankine ha fet una contribució important a la comprensió elemental en el camp teòric. Per exemple, va introduir el nom d ' "energia" per la quantitat física fonamental que abans es coneixia com "força vital". També va ser el primer a descriure la transferència d'energia en màquines de vapor, per exemple, com una conversió de calor en energia cinètica.

Rankine declarar sobre la base de la seva pròpia teoria que la màxima eficiència dels motors tèrmics dependria únicament de les fluctuacions de temperatura a les que aquests motors estan subjectes durant l'operació. El prussià Rudolf Clausius va desenvolupar el procés Carnot basat en les idees de Rankine. El treball de Rankine en el camp de la termodinàmica va ser reprès per James Clerk Maxwell.

Rankine reformular més tard els resultats de la seva pròpia teoria sobre els moviments de molècules amb energia i transformació d'energia. Va afirmar que l'energia efectiva (energia real) en els processos dinàmics es va perdre i va ser reemplaçada per energia potencial, una idea que s'havia conegut d'alguna manera com la llei de conservació d'energia durant algun temps.

En 1859, Rankine va proposar la seva escala Rankine per mesurar temperatures absolutes.

Energètica

En l'article "Esquemes de la ciència de l'energia" de 1855, Rankine va intervenir en el debat científic-filosòfic sobre el mètode deductiu i inductiu per adquirir coneixement i el paper de la hipòtesi en això. Rankine va opinar que la hipòtesi, a la qual va cridar teoria hipotètica, era només un pas intermedi necessari per simplificar la consideració dels fenòmens. Això va permetre arribar a una formulació d'una teoria abstracta que pot postular mitjançant inducció.

Seguint el seu hipòtesi de les vèrtebres moleculars i el seu efecte sobre la termodinàmica, Rankine presentar una nova teoria en la qual la dinàmica es tractava sobre la base de l'energia i la transformació de l'energia en lloc de la força i el moviment. Amb això, va portar totes les forces de la naturalesa conegudes en aquest moment a una teoria universal: una teoria de la llei general, que regula tota transformació d'energia. El va anomenar la ciència de l'energia. Aquesta teoria va ser esmentada sovint especialment en la segona meitat de segle XIX i va formar un exemple per a més especulacions sobre això per part d'Ernst Mach i Wilhelm Ostwald, entre d'altres.

Física matemática

Amb contribucions a la teoria de l'elasticitat i de les ones, Rankine ha fet una contribució important a el desenvolupament de la física matemàtica.

Autor:

Data de publicació: 26 de febrer de 2020
Última revisió: 26 de febrer de 2020