No. 2092: ¿LA ERMODINÁMICA ES UNA CIENCIA?

de John H. Lienhard

Traducción de Gabriel Barbieri y Aymará Boggiano

Audio 2092 en español

Episodio 2092 en inglés

Hoy, ¿qué constituye una ciencia? La Facultad de Ingeniería y el Departamento de Lenguas, Literaturas y Culturas del Mundo de la Universidad del Norte de Texas presentan un episodio de esta serie sobre las máquinas que mueven nuestra civilización, y las personas cuyo ingenio las creó.

La termodinámica es una ciencia extraña, la mayoría solo tiene una vaga noción de lo que es, yo misma a veces me pregunto si realmente es una ciencia. Apareció después de las máquinas de vapor, porque surgió la necesidad de explicar el funcionamiento de esas máquinas nuevas.

En principio pareciera que podríamos derivar toda la termodinámica de la física atómica, sin embargo, eso nunca se logró por completo,... es que tiene vida propia. Así como la geometría euclidiana, es un compendio de deducciones lógicas basadas en unos cuantos axiomas o leyes. Leyes que pueden ser formuladas de varias maneras, pero siempre mantienen dos principios primordiales. Uno es que la energía se conserva; y el otro que todo tiende a estados más probables –y menos ordenados. ¡Y, ay del que trate de inventar una máquina sin recordar esos dos principios esenciales!

La conservación de la energía parece obvia si entendemos como se almacena y se intercambia a nivel atómico. Lo que hay que hacer es seguirle la pista a todas esas minúsculas energías. ¡Pero cuidado! al hacerlo ya asumimos que la energía térmica está compuesta por esas minúsculas partículas. Quizás la termodinámica solo sea entonces tan básica como la física aótmica.

El otro asunto -la tendencia hacia el desorden- es más difícil de deducir a partir del comportamiento atómico. Es lógico pensarlo, pero es discutible porque la termodinámica existe sin ninguna referencia a los átomos; y aunque sus axiomas son resultado del comportamiento atómico, expresan hechos aplicables a grandes agrupaciones de átomos tan grandes que podemos percibirlas a través de los sentidos.

Siempre recurrimos a la termodinámica ante la necesidad de hacer mediciones en sistemas reales a escala humana. Para ver por qué, trataré de explicar el valor calórico de un combustible en términos atómicos:

Gracias a una poderosa fuerza electrónica toda molécula permanece unida y para separarla hace falta energía. Si quemamos carbono en oxígeno, descomponemos la molécula O2 y obtenemos dos átomos de oxígeno. Esos átomos de oxígeno se combinan con un átomo de carbono y forman dióxido de carbono CO2. Se necesita más energía para separar el CO2 que el O2, por eso es que se libera energía al quemar carbono en oxígeno.

Bueno, no habrá un examen...sería demasiado complicado. Cuando hay que diseñar algo, un escenario atómico es poco útil. Allí en algún lugar, dentro de ese mundo invisible hay átomos, fotones, quarks,..... y posiblemente hasta hilos, pero para diseñar a escala humana, se necesitan leyes físicas y ellas no detectan la presencia de átomos más de lo que pueden hacerlo nuestro propios ojos.

Creo que es por eso que me gusta la termodinámica, es como una ciencia antropomórfica; una ciencia del bosque y no solo de árboles. La ciencia de los árboles atómicos es útil en muchos campos, no se engañe, pero esa utilidad solo se logra cuando nos ayuda a entender mejor el gran bosque de lo que podemos ver, y tocar.

Les habló Aymará Boggiano en otro episodio de "Las Invenciones de la inventiva" original de John Lienhard de la Universidad de Houston, donde se estudia el proceso de la mente inventiva.

Estas ideas se encuentran extensamente desarrolladas en J. H. Lienhard, How Invention Begins: Echoes of Old Voices in the Rise of New Machines. (NuevaYork: Oxford University Press, 2006): Capítulo 6.

Para una discusión sobre la relación entre termodinámica y física, veá se C. L. Tien & J. H. Lienhard, Statistical Thermodynamics (London: Taylor & Francis, 1979) Capítulos 1-3.

Para una discusión sobre la derivación de la Segunda Ley de la termodinámica, la tendencia hacia el desorden en la física atómica, véase el Capítulo 11.

Motor perpetuo, o máquina de movimiento perpetuo (PMM). Este prototipo fue "inventado" en la India en 1100 y ha sido resucitado muchas veces después. Al igual que todas las máquinas de movimiento perpetuo, viola las leyes de la termodinámica y nunca ha sido concebida para que funcione.

El libro Móvil Perpetuo, Antes y Ahora de V.M. Brodianski publicado en la web por Antonio Bravo de la serie Libros maravillosos con tiene una detallada y muy ilustrativa descripción de los motores perpetuos, su historia y desarrollo:

Para mas información sobre Movimiento perpetuo, véanse los episodios de John Lienhard # 33, 438, 527, 528 y 614.

Aquí la página del Prof. Ángel Franco García, Universidad del País Vasco, Curso Intereactivo de Física en Internet que contiene una explicación de los conceptos básicos de Termodinámica.