PRINCIPIOS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

El origen histórico de la Termodinámica se sitúa en los motores y, específicamente, las máquinas térmicas. Motores son las partes sistemáticas que hacen funcionara los sistemas transformando algún otro tipo de energía en energía mecánica, capaz de producir un trabajo. Los motores térmicos obtienen el trabajo a partir de energía interna. Lo hacen mediante combustión interna en la que se produce una combustión del fluido motor, por la que se logra liberar su energía química en energía térmica y a partir de ésta se obtiene la energía mecánica. También lo pueden lograr mediante combustión externa en la que se produce la combustión fuera de él. Por ejemplo, cuando calentamos agua, se forma vapor y es el agua la que produce el trabajo. La máquina de vapor es un ejemplo excelente.

 

La Historia de la Termodinámica se establece en 1650, cuando Otto von Guericke construyó y diseñó la primera bomba de vacío y demostró las propiedades del vacío. Se omite, sistemáticamente que Gerónimo de Ayanz y Beaumont ya inventó una máquina de vapor anterior a 1600, como consta en sus patentes registradas en 1605. Tiene importancia el detalle, porque Gerónimo de Ayanz fue regidor del Ayuntamiento de Murcia y su cuerpo reposa en la Catedral. Además de los citados, cabe señalar al químico Boyle, que junto con Hooke construyó una bomba de aire. Papin en 1679 construyó un digestor de vapor, con el que ya se lograba elevada presión para aumentar el punto de ebullición y así se disminuía el tiempo de cocinado. En 1697, casi un siglo después de Gerónimo de Ayanz, Savery, construyó un motor térmico. Newcomen lo perfeccionó en 1712. Fue en 1781 en que Black desarrolló los conceptos de capacidad calorífica y calor latente. Watt, concibió la idea de condensador externo, logrando una mayor eficacia de la máquina de vapor. Poco después, en 1783 Lavoisier sorprendió con su teoría del calórico. Según la teoría se explicaba el calor como un fluido hipotético que estaba incorporado en la materia y que era el responsable del calor. Según su mayor o menor cantidad de calórico, los cuerpos eran gas, liquido o sólido. Pasa de un cuerpo a otro, incluyendo los seres vivos, mediante contacto. Se hacía visible en llamas, al desprenderse de los cuerpos. Fue una teoría ampliamente aceptada.

 

Thomson en 1798 evidenció la conversión del trabajo mecánico en calor. Fue Carnot, considerado como el padre de la Termodinámica, que en 1824  describió la máquina de Carnot y el ciclo de Carnot. Marcan el inició como Ciencia de la Termodinámica. Rankine escribió en 1859 el primer libro de Termodinámica. Una larga retahíla de nombres se incorporaron a continuación, como Hess, Clausius, Joule, Thomson, Maxwell, Boltzmann, Planck, van der Waals o Gibbs. Todos ellos han contribuido a la formulación de los principios que rigen la Ciencia Termodinámica. Todo empezó con las máquinas térmicas. Son concreciones en las que un proceso cíclico que empieza en un estado de equilibrio, acaba en el mismo estado, tras efectuar un intercambio de calor y trabajo con el entorno.  Cualquier motor en el que pensemos, desde una locomotora hasta un coche efectúan el mismo proceso: la energía liberada en forma de calor a partir de una reacción química, es capaz de realizar un trabajo, que es el desplazamiento de un vehículo o la rotación de una plataforma.

 

Pudo considerarse, en algún momento, la disposición de energía sin límite y la capacidad eficaz de conversión, sin pérdida de calor en trabajo. La Ciencia Termodinámica vino a poner restricciones a estos procesos. Si un ciclo establece un inicio y un final que coinciden, el estado de la máquina no cambia. La fuente de calor dispone de una especie de almacén de donde la máquina extrae la energía. Mientras tanto, el sistema físico aumenta su energía interna a costa del trabajo realizado por la máquina, que se lo cede. De esta consideración del primer principio, al imponer un límite máximo al trabajo que puede producir la máquin emerge el enunciado de que la conservación de la energía interna supone que no se puede superar la energía interna de la fuente de calor. Cuando la fuente queda exhausta, se acabó la capacidad de la máquina para producir trabajo.

 

Pero no es ésta la única limitación. Se puede caracterizar el calor mediante la temperatura, T, que se mantiene constante aproximadamente, durante todo el proceso. Parte de la energía absorbida del foco se disipa en forma de calor, de forma que no se puede convertir o aprovechar el 100% Los rendimientos de las máquinas son muy inferiores a los valores teóricos. Es una segunda limitación insoslayable, que concreta el segundo Principio. De modo que no podemos generar más energía que la que tenemos, lo que imposibilita el móvil perpetuo de primera especie, ni podemos aprovechar toda la energía contenida en un foco, con lo que tampoco es posible un móvil perpetuo de segunda especie. Todavía más, dado que la eficiencia teórica máxima solamente depende de la temperatura de la fuente y la del refrigerante, resulta por tanto, independiente del tipo de máquina y del funcionamiento de la misma. Pero esto, también implica que el cociente de ambas temperaturas (rendimiento) no va a depender del sistema de medida que se emplee (termómetro) ni la propiedad que se utilice para marcar la temperatura.

 

Los principios son leyes de la Naturaleza que no se pueden demostrar explícitamente, pero cuyos resultados los cuantificamos observando el comportamiento y los resultados que emergen de éste. Cuando se trata del ámbito de la Lógica los principios o axiomas se consideran que son tan evidentes que no requieren demostración y junto con las reglas de inferencia constituyen los fundamentos de aquélla. En Lógica y en Matemáticas se utilizan los sistemas axiomáticos, para mediante deducciones demostrar teoremas. La Termodinámica se estructura a partir de conceptos como temperatura, energía interna, entropía que se concretan para caracterizar los estados de equilibrio y poder estudiar los procesos que conducen de un estado a otro. A este esquema, añade el aspecto fenomenológico del calor. Históricamente el concepto de entropía se incorporó a partir de los conceptos genitores: calor y temperatura. De esta forma se dispone de una estructura que permite extender el principio de conservación de la energía y algo de sumo interés al poder caracterizar los estados de equilibrio (permanencia) como mínimos de la energía interna. Del mismo modo, los máximos de energía se hacen corresponder con la cuantificación de la medida en que la energía interna acumulada es utilizable como trabajo útil.

 

Pero todo ello se puede estructurar de forma lógica de manera que la entropía sea la que juega un papel básico y, a partir de ella, se puedan deducir aspectos como calor y temperatura como secundarios. En Mecánica ocurre algo de esto cuando la energía, concepto más abstracto y fundamental, suplanta a la fuerza, mucho más intuitiva. Finalmente, la energía interna podemos concebirla como un concepto mecánico, con lo que si el calor se identifica con cambio de energía y la entropía se puede identificar con cambios de calor, supone que ésta última se pueda identificar con aspectos mecánicos. De este planteamiento se desprende que la entropía se conecte con el detalle microscópico que se pierde en el ámbito macroscópico al pasar de descripciones atómico-moleculares a observaciones fenomenológicas. El trabajo de Boltzmann al formular las bases de la Mecánica Estadística conectaron ambos mundos, iniciando esa corriente científica que busca la descripción de la totalidad, desde el convencimiento y la observación que estudiamos parcialmente los sistemas por comodidad de tratamiento y porque las aproximaciones no permiten identificar fácilmente los efectos de un Universo que actúa como un todo. La unificación no es un capricho científico más, sino el horizonte que dirige las pesquisas que, parcial, pero de forma permanente, nos van acercando a responder los interrogantes fundamentales.