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Orígenes de la Termodinámica




Enviado por rubenv



    Introduccion:

    Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos
    empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron
    siendo muy útiles para el desarrollo de
    la vida del hombre.

    Creemos que la termodinámica es un caso muy especial
    debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos
    mientras que en la actualidad los estudios sobre el
    perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen
    siendo de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la
    importancia que revisten temas de tanta actualidad como la
    contaminación.

    El origen fué sin lugar a dudas la curiosidad que
    despertara el movimiento
    producido por la energía del vapor de agua.

    Su desarrollo
    fué tomando como objetivo
    principal el perfeccionamiento de las tecnologias aplicadas con
    el fin de hacer mas facil la vida del hombre,
    reemplazando el trabajo
    manual por la
    máquina que facilitaba su realización y lograba
    mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la
    economía,
    por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del
    interior de las minas y el transporte.

    Mas tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el
    máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad
    de lograr un conocimiento
    profundo y acabado de las leyes y principios que
    regian las operaciones
    realizadas con el vapor.

    El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de
    recursos se
    amplía en la medida en que se incorporan nuevas
    áreas como las referentes a los motores de
    combustión interna y ultimamente los
    cohetes. La construcción de grandes calderas para
    producir enormes cantidades de trabajo marca tambien la
    actualidad de la importancia del binomio máquinas
    térmicas-termodinámica.

    En resumen: en el comienzo se partió del uso de
    las propiedades del vapor para succionar agua de las
    minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr
    las máximas potencias con un mínimo de contaminación y un máximo de
    economía.

    Para realizar una somera descripción del avance
    de la termodinámica a través de los
    tiempos la comenzamos identificando con las primitivas
    máquinas térmicas y dividimos su descripción
    en tres etapas, primero la que dimos en llamar empírica,
    la seguna la tecnológica y la tercera la
    científica.

    I.- La etapa empírica

    Los orígenes de la termodinámica nacen de
    la pura experiencia y de hallazgos casuales que fueron
    perfeccionándose con el paso del tiempo.

    Algunas de las máquinas térmicas que se
    construyeron en la antigüedad fueron tomadas como mera
    curiosidad de laboratorio,
    otros se diseñaron con el fin de trabajar en
    propósitos eminentemente prácticos. En tiempos del
    del nacimiento de Cristo existian algunos modelos de
    máquinas térmicas, entendidas en esa época
    como instrumentos para la creación de movimientos
    autónomos, sin la participación de la
    tracción a sangre.

    El ingenio más conocidos por las crónicas
    de la época es la eolipila de Herón que usaba la
    reacción producida por el vapor al salir por un orificio
    para lograr un movimiento.
    Esta máquina es la primera aplicacióndel principio
    que usan actualmente las llamadas turbinas de
    reacción.

    La historia cuenta que en 1629
    Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de
    realizar un movimiento en
    base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que
    salía por un caño. No se sabe a ciencia cierta
    si la máquina de Branca se construyó, pero, es
    claro que es el primer intento de construcción de las que hoy se llaman
    turbinas de acción.

    La mayor aplicación de las posibilidades de la
    máquina como reemplazante de la tracción a sangre
    consistía en la elevación de agua desde el
    fondo de las minas. Por ello la primera aplicación del
    trabajo mediante la fuerza del
    vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de
    Savery.

    La máquina de Savery consistía en un
    cilindro conectado mediante una cañería a la fuente
    de agua que se
    deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se
    cerraba la llave de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor
    se condensaba se producía un vacío que
    permitía el ascenso del agua.

    II.- La etapa tecnológica.

    Según lo dicho la bomba de Savery no
    contenía elementos móviles, excepto las
    válvulas de accionamiento manual,
    funcionaba haciendo el vacío, de la misma manera en que
    ahora lo hacen las bombas
    aspirantes, por ello la altura de elevación del agua era
    muy poca ya que con un vacío perfecto se llegaría a
    lograr una columna de agua de 10.33 metros, pero, la tecnología de esa
    época no era adecuada para el logro de vacios
    elevados.

    El primer aparato elemento que podriamos considerar como
    una máquina propiamente dicha, por poseer partes
    móviles, es la conocida como máquina de vapor de
    Thomas Newcomen construída en 1712. La innovación consistió en la
    utilización del vacío del cilindro para mover un
    pistón que a su vez proveía movimiento a
    un brazo de palanca que actuaba sobre una bomba convencional de
    las llamadas aspirante-impelente.

    Podemos afirmar que es la primera máquna
    alternativa de mla que se tiene conocimiento y
    que con ella comienza la historia de las
    máquinas térmicas.

    Las dimensiones del cilindro, órgano principal
    para la creación del movimien-to, eran: 53,3 cm de
    diámetro y 2,4 metros de altura, producía 12
    carreras por minuto y elevaba 189 litros de agua desde una
    profundidad de 47,5 metros.

    El principal progreso que se incorpora con la
    máquina de Newcomen consis-te en que la producción de un movimiento
    oscilatorio habilita el uso de la máquina para otros
    servicios que
    requieran movimiento alternativo, es decir, de
    vaivén.

    En esa época no existian métodos
    que permitieran medir la potencia
    desarrollada por las máquinas ni unidades que permitieran
    la comparación de su rendi-miento, no obstante, los
    datos
    siguientes dan una idea del trabajo realizado por una
    máquina que funcionó
    en una mina en Francia,
    contaba con un cilindro de 76 cm de diámetro y 2,7 metros
    de altura, con ella se pudo completar en 48 horas una labor de
    desagote que previamente había requerido una semana con el
    traba-jo de 50 hombres y 20 caballos operando en turnos durante
    las 24 horas del día.

    La máquina de Newcomen fué perfeccionada
    por un ingeniero inglés
    llamado Johon Smeaton (1742-1792). Un detalle de la potencia lograda
    lo podemos ver en el trabajo
    encargado por Catalina II de Rusia quien solicitó bombear
    agua a los di-ques secos del fuerte de Kronstadt. Esta tarea
    demoraba un año usando molinos de viento de 100 metros de
    altura, la máquina de Smeaton demoró solamente dos
    semanas. Se debe destacar que el perfeccionamiento
    consistió en la optimización de los mecanismos,
    cierres de válvulas, etc.

    El análisis de las magnitudes que entran en
    juego en el
    funcionamiento de la máquina de vapor y su
    cuantificación fué introducido por James Watt
    (1736-1819).

    Watt se propuso estudiar la magnitud del calor puesto
    en juego en el
    funcio-namiento de la máquina, esto permitiría
    estudiar su rendimiento.

    El mayor obstáculo que encontró Watt fué el
    desconocimiento de los valores de
    las constantes físicas involucradas en el proceso, a
    raiz de ello debió realizar un proceso de
    mediciones para contar con datos
    confiables.

    Sus mediciones experimentales le permitieron verificar
    que la máquina de Newcomen solo usaba un 33% del vapor
    consumido para realizar el trabajo
    útil.

    Los aportes de Watt son muchos, todos ellos apuntaron al
    logro de un mayor rendimiento, inventó el prensaestopa que
    actua manteniendo la presión mientras se mueve el
    bástago del pistón, introdujo la bomba de
    vacío para incrementar el rendimiento en el escape,
    ensayó un mecanismo que convirtiera el movimiento
    alternativo en rotacional, en 1782 patentó la
    máquina de doble efecto (el vapor empuja en ambas carreras
    del pistón), ideó válvulas de movimiento
    vertical que permitian mantener la presión de la caldera
    mediante la fuerza de un
    resorte com-primido. Creó el manómetro para medir
    la presión del vapor y un indicador que po-día
    dibujar la evolución presión-volumen del vapor
    en el cilindro a lo largo de un ciclo.

    Con el objetivo de
    establecer una unidad adecuada para la medición de la
    potencia,
    realizó experiencias para definir el llamado caballo de
    fuerza.
    Determinó que un caballo podía desarrollar una
    potencia
    equivalente a levantar 76 kg hasta una altura de 1 metro en un
    segundo, siguiendo con este ritmo durante cierto tiempo, este
    valor se usa
    actualmente y se lo llama caballo de fuerza
    inglés.

    Un detalle importante de las calderas de
    Watt es que trabajaban a muy baja presión, 0,3 a 0,4
    kg/cm2.

    Los progresos tecnológicos aportados por Watt
    llevaron la tecnología de la
    máquina de vapor a un refinamiento considerable. Se
    había avanzado en seguri-dad merced a la
    incorporación de válvulas, ya se contaba con
    unidades que daban cuenta de la potencia y el
    rendimiento, los mecanismos fueron elaborados con los mas
    recientes avances de la tecnología mecánica. Lo único que no
    entró en la consideración de Watt fué la
    posibilidad de usar calderas de
    mayor presión, su objetivo
    principal era la seguridad, y
    desde el punto de vista económico no reque-ría
    perfeccionamiento, sus máquinas eran muy apreciadas y se
    vendian bien.

    Después de Watt se consiguieron considerables
    avances en la utilización de calderas de
    muy alta presión, esta incorporación
    incrementó el rendimiento y, lo mas importante,
    favoreció el uso de calderas de
    menor tamaño que realizaban mayor trabajo que las grandes,
    además de mejorar el rendimiento del vapor las
    preparó para adaptarlas para su instalación en
    medios de
    transporte.

    En agosto de 1807 Robert Fulton puso en funcionamiento
    el primer barco de vapor de éxito comercial, el Clermont,
    el mérito de Fulton consiste en la instalación y
    puesta en marcha de una máquina de vapor a bordo, no
    realizó innovaciones sobre la máquina en sí.
    Este barco cumplió un servicio
    fluvial navegando en el río Hudson.

    En el año 1819 el buque de vapor Savannah, de
    bandera norteamericana realiza el primer viaje
    transatlántico, ayudado por un velamen. El Britania
    fué el primer barco de vapor inglés,
    entró en servicio en
    1840, desplazaba 1150 toneladas y contaba con una máquina
    de 740 caballos de fuerza,
    alimentada por cuatro calderas de 0.6 kg/cm cuadrado,
    desarrollando una velocidad de
    14 km/h.

    George Stephenson (1781-1848) fué el primero que
    logró instalar una máquina de vapor sobre un
    vehículo terrestre dando inicio a la era del
    ferrocarril.

    En el año 1814 Stephenson logró arrastrar
    una carga de treinta toneladas por una pendiente de 1 en 450 a
    sis km por hora.

    En 1829 la locomotora llamada Rocket recorrió 19
    km en 53 minutos lo que fué un record para la
    época.

    III.- Etapa científica.

    Sadi Carnot (1796-1832) es el fundador de la
    termodinámica como disciplina
    teórica, escribió su trabajo cumbre a los 23
    años. Este escrito estuvo desconocido durante 25
    años hasta que el físico Lord Kelvin redescubriera
    la importancia de las propuestas contenidas en
    él.

    Llamó la atención de Carnot el hecho de
    que no existieran teorias que ava-laran la propuestas utilizadas
    en el diseño
    de las máquinas de vapor y que todo ello dependira de
    procedimientos
    enteramente empíricos. Para resolver la cuestión
    propuso que se estudiara todo el procedimiento
    desde el punto de vista mas gene-ral, sin hacer referencia a un
    motor,
    máquina o fluido en especial.

    Las bases de las propuestas de Carnot se pueden resumir
    haciendo notar que fué quien desarrolló el concepto de
    proceso
    cíclico y que el trabajo se
    produ-cía enteramente "dejando caer" calor desde
    una fuente de alta temperatura
    hasta un depósito a baja temperatura.
    También introdujo el concepto de
    máquina reversible.

    El principio de Carnot establece que la máxima
    cantidad de trabajo que puede ser producido por una
    máquina térmica que trabaja entre una fuente a alta
    temperatura y
    un depósito a temperatura
    menor, es el trabajo
    producido por una máquina reversible que opere entre esas
    dos temperaturas. Por ello demostró que ninguna
    máquina podía ser mas eficiente que una
    máquina reversible.

    A pesar que estas ideas fueron expresadas tomando como
    base la teoría
    del calórico, resultaron válidas. Posteriormente
    Clausius y Kelvin, fundadores de la termodinámica
    teórica, ubicaron el principio de Carnot dentro de una
    rigurosa teo-ría científica estableciendo un nuevo
    concepto, el
    segundo principio de la termodinámica.

    Carnot también establece que el rendimiento de
    cualquier máquina térmica depende de la diferencia
    entre temperatura de
    la fuente mas caliente y la fría. Las altas temperaturas
    del vapor presuponen muy altas presiones y la expansión
    del vapor a bajas temperaturas producen grandes volúmenes
    de expansión. Esto producía una cota en el
    rendimiento y la posibilidad de construcción de máquinas de
    vapor.

    En esta época todavía tenía
    vigencia la teoría
    del calórico, no obstante ya estaba germinando la idea de
    que esa hipótesis no era la adecuada, en el marco
    de las sociedades
    científicas las discusiones eran acaloradas.

    James Prescot Joule (1818-1889) se convenció
    rapidamente de que el trabajo y el calor eran
    diferentes manifestaciones de una misma cosa. Su expe-riencia mas
    recordada es aquella en que logra medir la equivalencia entre el
    traba-jo mecánico y la cantidad de calor. Joule
    se valió para esta experiencia de un sis-tema de
    hélices que agitaban el agua por un
    movimiento producido por una serie de contrapesos que permitian
    medir la energía mecánica puesta en juego.

    A partir de las investigaciones
    de Joule se comenzó a debilitar la teoría
    del calórico, en especial en base a los trabajos de Lord
    Kelvin quien junto a Clausius terminaron de establecer las bases
    teóricas de la termodinámica como disciplina
    independiente. En el año 1850 Clausius dscubrió la
    existencia de la entropía y enunció el segundo
    principio:

    Es imposible que una máquina térmica
    que actúa por sí sola sin recibir ayuda de
    ningún agente externo, transporte
    calor de un
    cuerpo a otro que está a mayor
    temperatura.

    En 1851 Lord Kelvin publicó un trabajo en el que
    compatibilizaba los estudios de Carnot, basados en el
    calórico, con las conclusiones de Joule, el calor es una
    forma de energía, compartió las investigaciones
    de Clausius y reclamó para sí el postulado del
    primer principio que enunciaba así:

    Es imposible obtener, por medio de agentes materiales
    inanimados, efectos mecánicos de cualquier
    porción de materia
    enfriándola a una temperatura inferior a la de los
    objetos que la rodean.

    Lord Kelvin también estableció un
    principio que actualmente se conoce como el primer principio de
    la termodinámica. Y junto a Clausius derrotaron la
    teoría
    del calórico.

    Situación actual:

    Hoy se ha llegado a uninteresante perfeccionamiento de
    las máquinas térmicas, sobre una teoría
    basada en las investigaciones
    de Clausius, Kelvin y Carnot, cuyos principios
    están todavía en vigencia, la variedad de
    máquinas térmicas va desde las grandes calderas de
    las centrales nucleares hasta los motores cohete
    que impulsan los satélites
    artificiales, pasando por el motor de
    explosión, las turbinas de gas, las turbinas
    de vapor y los motores de
    retropropulsión. Por otra parte la termodinámica
    como ciencia actua
    dentro de otras disciplinas como la química, la biología,
    etc.

    Conclusión:

    El desarrollo de
    la termodinámica tiene un origen empírico como
    muchas de las partes de la tecnología.

    Una de las curiosidades en la aplicación temprana
    de efectos del vapor en la etapa que dimos en llamar
    empírica y que a lo largo de su desarrollo
    cambiara su origen en varias hipótesis, flogisto, calórico y
    finalmente energía.

    Con Watt se logra el perfeccionamiento en la tecnología, se
    comprenden los principios
    básicos de la misma y se aislan las variables que
    intervienen en el fun-cionamiento de la máquina, la
    introducción de la unidad para medir la potencia conduce
    al manejo de criterios de comparación.

    Despues de Watt comienza el desarrollo de
    las máquinas móviles con las realizaciones de
    Robert Fulton y George Stephenson.

    Tambien es importante marcar como las teorias de Carnot
    tienen aún validez en su forma original apesar de haber
    estado
    fundamentadas en una hipótesis erro-nea, la del calórico.
    Carnot introduce tres conceptos fundamentales:

    El concepto de
    ciclo o máquina cíclica.

    La relación entre la "caida del calor de una
    fuente caliente a otra mas fría y su relación
    con el trabajo.

    El concepto de
    máquina reversible de rendimiento
    máximo.

    Gracias a Clausius y Kelvin se convierte a la
    termodinámica en una ciencia
    independiente de alto contenido teórico y
    matemático, lo que logra entender los fenómenos que
    se desarrollaban y fundamentar progresos
    tecnológicos.

    Bibliografía de
    referencia

    Motores térmicos e
    hidráulicos

    Rosich

    Ergon

    Termodinámica Técnica

    Estrada

    Editorial Alsina.

    Maquinas Térmicas

    Sandfort

    Eudeba

    A TextBook on Heat

    Barton

    Longsman

    Heat

    Mitton

    Dent and sons

    Las palabras clave se refieren a los
    precursores de esta ciencia:
    Herón, Savery, Newcomen, Fulton, Stephenson, Sadi Carnot,
    Clausius, Lord Kelvin, Joule, Watt.

    Autor: Rubén Víctor
    Innocentini

    (Profesor de matemática, física y
    cosmografía.)

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