Sobre el origen de la Termodinámica.

La Termodinámica es parte esencial de la Física, y pilar fundamental de la Ingeniería. Básicamente trata de la transformación del calor (energía térmica), en trabajo mecánico o trabajo útil. Actualmente abarca diferentes campos: termodinámica clásica, termodinámica técnica, termodinámica química, termodinámica estadística, termotécnia, motores de combustión, etc...

En ella se  incluyen conceptos como: calor, temperatura, trabajo, energía interna, entalpía, entropía, transmisión de calor (conducción, convección, radiación), combustiones, ciclos térmicos, ciclos frigoríficos, rendimientos, reacciones exotérmicas / endotérmicas, energía libre, agitación y desorden molecular, vapor de agua, aire húmedo, etc...

Sin embargo, hasta el S.XIX nada se sabía acerca de todo ello. Aún se pensaba que el calor era un fluido invisible llamado "el calórico". James Watt (1736-1819) inventó la máquina que lleva su nombre,  o máquina de vapor, donde quemando madera  o carbón se producía vapor de agua, el cual actuaba un pistón y una biela-manivela, produciendo trabajo motriz. Eran clave en su diseño la caldera, el condensador de vapor, y el regulador centrífugo a bolas. La máquina de vapor de Watt posibilitó la primera revolución industrial, así como el ferrocarril.

Pero los fundamentos teóricos de los principios de esta ciencia termodinámica se deben a Sadi Carnot (1796-1832), aunque en su tiempo su obra pasó prácticamente desapercibida.

 

 

Aparecen de vez en cuando en la historia de las ciencias algunas obras surgidas de forma algo espontánea, en el sentido de no poder ser clasificadas en ámbitos precedentes. Entre ellas figura en primer plano la obra de Sadi Carnot, como precursor cuya profunda visión se adelantó considerablemente a su tiempo.

Sus "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a développer cette puissance": reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, aparecieron en un librito del que se editaron pocos ejemplares en París, en 1824. Dichas reflexiones abrieron a la ciencia y a la técnica caminos completamente nuevos.

Desde el principio de su libro se planteaban cuestiones precisas. Carnot se preguntaba si la potencia motriz del calor (obsérvese que él en el título de la obra escribió "feu": fuego, y no calor, aunque luego en el texto usa más o menos indistintamente ambos términos) es limitada o ilimitada, si los perfeccionamientos de las máquinas térmicas tienen un límite concreto, o bien son susceptibles de ser mejoradas indefinidamente en su rendimiento.

En su forma original la respuesta era la siguiente: una máquina, operando de la manera más económica y terminando al final de su operación en las mismas condiciones que al principio, produce un trabajo cuya relación con el calor aportado a la caldera depende únicamente de las temperaturas de la caldera y del condensador de vapor.

Ése fue el enunciado inicial del principio de Carnot, llamado durante mucho tiempo el segundo principio de la Termodinámica, y que después ha adoptado formas muy diversas, (recordemos que el primer principio de la Termodinámica es el de la conservación de la energía, que en la actual era posteinsteiniana ha pasado a ser la conservación de la masa-energía). Todas las sustancias pueden, escribía Carnot, ser empleadas para obtener  potencia motriz, y en la aplicación de su principio la naturaleza de la materia que recorre el ciclo carece de importancia. Ni que decir tiene que estas afirmaciones audaces parecían en un principio inadmisibles.

De la obra de Carnot se habían editado muy pocos ejemplares, y permaneció desconocida durante mucho tiempo, si bien Clapeyron lo citó diez años después en su obra, como vamos a comentar a continuación. El gran físico inglés Lord Kelvin solía comentar sus vanos esfuerzos por encontrar un ejemplar de la obra de Carnot, en ninguna librería, en 1843.

Émile Clapeyron (1799-1864) escribió en 1834 una memoria para la Escuela Politécnica de París, de la que tanto Carnot como él fueron alumnos,  titulada "Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur": memoria sobre la potencia motriz del calor (no del fuego, sino del calor).

Clapeyron dedicaba en su obra toda su capacidad de análisis al difícil problema de la producción de fuerza motriz. ¿Había en una máquina de vapor una íntima correlación entre la cantidad de trabajo generado y la cantidad de carbón consumido? ¿Mediante qué fenómenos se producía esta misteriosa transformación?. Estas preguntas, que ya habían sido planteadas por otros pocos, pero no resueltas, no escapaban al espíritu observador de Clapeyron, quien tuvo la suerte de encontrar un librito, que se hizo célebre gracias a él y que hasta entonces había sido ignorado por todos: la anteriormente mencionada obra de Carnot. Impresionado por la grandeza y la exactitud de las reflexiones expuestas en dicho "informe", Clapeyron lo estudió, asimiló su contenido, y desarrolló su magnífico trabajo, que hizo época en la historia de la ciencia.

Revelada así al mundo de la ciencia, la obra de Carnot llegó a ser el pilar sobre el que se levantó una ciencia completamente moderna: la teoría mecánica del calor, es decir, la Termodinámica.