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CIENCIA Y TECNOLOGÍA

 



En el presente post se resume el proceso histórico a través del que diversos científicos, químicos en este caso, fueron estableciendo la naturaleza atómica de la materia y la forma cómo los átomos de los elementos más básicos se unen unos con otros para formar materiales más complejos. Para finales del siglo XIX, cuando se creó la "tabla periódica de los elementos" por parte del ruso Dmitri Mendeléyev, y en parte también por el alemán Julius Lothar Meyer, existían microscopios bastante eficientes, pero gran parte de la teoría atómica de la materia se formuló por intuiciones, deducciones y experimentos diversos. La existencia de átomos no fue generalmente aceptada por los científicos, sin embargo, hasta los primeros años del siglo XX


Avances en el atomismo durante el siglo XIX
Jöns Berzelius, el químico sueco al que ya se ha hecho mención, que también se apoyó en la obra de Volta, como Davy y otros, se adscribió con interés a las ideas atomistas de Dalton y llegó a establecer una tabla con los pesos atómicos de los cuarenta elementos que se conocían en la época (1). Estudió experimentalmente las proporciones en que se combinan distintos elementos entre sí y en 1816, según indica Gribbin, (Página 306) había analizado 2.000 componentes diferentes. Como ocurre a menudo en la ciencia, las contribuciones de unos son confirmadas y perfeccionadas por otros. Berzelius se apoyó en las ideas de Dalton pero sus experimentos y mediciones confirmaron y consolidaron las afirmaciones de este autor. Gay-Lussac, previamente, en 1809, había publicado que los gases se combinan en proporciones simples de volumen. Por ejemplo, dos volúmenes de hidrógeno se combinan con uno de oxígeno para producir un volumen de agua.

El italiano Avogadro (1776-1856) había anunciado también antes que Berzelius hiciera sus cálculos, en 1811, que a una temperatura dada, el mismo volumen de cualquier gas contiene el mismo número de partículas. Ambos, Avogadro y Gay-Lussac, utilizaron los términos de moléculas y átomos, indistintamente.

A lo largo de siglo las ideas sobre la composición interna de los gases y de la materia en general, con distinción de los distintos elementos existentes en nuestro mundo, se fueron perfeccionando de la mano de estudiosos y científicos diversos. Como tantas veces ha ocurrido en el avance de los conocimientos sobre la naturaleza de nuestro universo, primero han surgido hipótesis y experimentos mentales de la mano de personajes notables, siendo después los experimentos físicos y las mediciones los que las han confirmado.

En 1815, por ejemplo, el químico británico, William Prout (1785-1850), sugirió que los pesos atómicos de todos los elementos eran múltiplos exactos del peso atómico del hidrógeno. El alemán, Friedrich Wöhler (1800-1882), también químico, dio los primeros pasos para la creación de la química orgánica, la química de los seres vivos, predominantemente basada en el carbono. El inglés Edward Frankland (1825-1899) explicó en 1852 el concepto de “valencia”, o capacidad de los átomos de un elemento determinado para combinarse con otros átomos. Algo más adelante, hacia 1858, el inglés Archiblad Couper (1831-1892) y el alemán Friedrich August Kekulé (1829-1896) introdujeron el concepto de “enlace” que completaba el anterior de “valencia”. El hidrógeno, por ejemplo, tiene valencia 1 porque puede formar un enlace con otro átomo, y el oxígeno tiene valencia 2 porque puede formar dos enlaces.

El italiano Stanislao Cannizaro (1826-1910) publicó un pequeño artículo en 1858 en el que señaló la diferencia fundamental entre átomo y molécula, lo cual permitió aclarar mucho las concepciones atomistas existentes en la época y seguir avanzando en la explicación de los componentes elementales de la materia.

En 1860, el químico inglés John Newlands (1837-1898) y el francés Alexander Béguyer de Chancourtois (1820-1886) dieron pasos por separado para explicar que los elementos se ordenan según sus pesos atómicos, existiendo una pauta que se repite y unos pesos atómicos que son múltiplos del peso atómico del hidrógeno.

El alemán Julius Lothar Meyer (1830-1895), y sobre todo el ruso, Dimitriv Mendeléiev, hacia 1870, fueron los responsables de la “tabla periódica” de los elementos químicos.



De la mano de científicos dedicados a la química quedó bastante bien establecida a lo largo del siglo XIX la naturaleza atómica de la materia, siendo sorprendente que a primeros del siglo XX existieran científicos como Wilhem Ostwald (1853-1932) e incluso el mismo Ernst Mach (1838-1916) que no admitieran la existencia de los átomos y que los considerarán sólo como algo hipotético para explicar las propiedades observadas en los elementos químicos.
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(1) Ver John Gribbin, Historia de la Ciencia. !543 -2001,, Crítica, Barcelona, 2003
Adolfo Castilla el Miércoles, 23 de Abril 2014 a las 23:34

Para lo que interesa en este blog, que no es otra cosa que la evolución de la mente humana al descubrir las leyes de la naturaleza, la concepción moderna del atomismo resulta un hito histórico. Fue el británico John Dalton el que entró en estos temas a comienzos del siglo XIX, después, por supuesto, de lo que había intuido Demócrito, nada menos que 23 siglos antes, y lo hizo dentro de la investigación sobre la constitución de los gases y la teoría cinética de los mismos. Ambas cuestiones, la teoría cinética de los gases y el atomismo, van a permitir la explicación detallada de las leyes de la termodinámica. A resumir los primeros pasos del atomismo se dedica el presente post.


El atomismo de John Dalton
Continuando con los primeros científicos que dedicaron atención a la teoría cinética de los gases y al atomismo, conviene recordar que Humphry Davy (1778-1829) trabajó inicialmente sobre diversos gases, entre ellos el “ácido nitroso” o “gas hilarante” y el “gas de agua” (mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno). Posteriormente y siguiendo a Volta, se convenció de que existía una relación significativa entre la química y la electricidad. Escribió un voluminoso tratado sobre sus experimentos con gases diversos, pero la mayor parte de su vida la dedicó a la divulgación de conocimientos científicos y a promocionar la ciencia entre sus contemporáneos, como muy bien indica John Gribbin (nacido en 1946) en su Historia de la Ciencia. 1543-2001, uno de los manuales de historia que utilizamos en estos escritos (1).

John Dalton (1766-1844) , por otra parte, que era dos años mayor que Davy, tardó más tiempo en despuntar pero tuvo una carrera, y una vida, más larga, fue un científico más preparado y su obra resultó ser mucho más sólida. En 1786 se trasladó a Manchester para ser profesor de matemáticas de una nueva institución llamada New College. Poco después se publicó un libro en el que Dalton escribió “sobre la naturaleza del vapor de agua y su relación con el aire, describiendo el vapor como partículas que existen entre las partículas del aire”. Fue una primera aportación a lo que se suele llamar la “teoría atómica de Dalton”.

Reflexionó sobre los gases en términos estáticos pero consideró que estaban formados por partículas elementales separadas unas de otras que se interrelacionaban mediante algo parecido a unos muelles. Más adelante, a partir del comienzo de siglo XIX, creyó con gran convicción, que cada elemento estaba formado por un tipo diferente de átomo que sólo existía en ese elemento y que tenía un peso determinado distinto de unos átomos a otros. Explicó que los átomos no se destruían pero que se podían combinar unos con otros para formar elementos distintos.

No distinguió con precisión entre átomos y moléculas y aunque avanzó, por ejemplo, en sugerir la constitución del agua de partes (moléculas o átomos) de oxígeno e hidrógeno, no distinguió muy bien entre las dos y no llegó comprender que el hidrógeno, por ejemplo, se presente en el caso del agua en forma de moléculas y no en forma de átomos individuales (H2 en vez de H).

Sus concepciones eran básicas y no tan perfeccionadas como luego llegarían a ser, pero Dalton fue el primero en los tiempos modernos que planteó la existencia de átomos en el interior de los gases y por extensión en el interior de la materia. Fue en su tiempo una idea muy discutida y muy poco aceptada y no se nos debe olvidar que durante años no se contó con el atomismo, o se contó con esa idea sólo en términos de supuesto o de instrumento heurístico. La existencia verdadera de los átomos fue negada por muchos científicos hasta principios del siglo XX y, como se sabe, los primeros trabajos de Einstein, publicados en 2005 y 2006, estuvieron dedicados a demostrar dicha existencia.
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(1) John Gribbin, Historia de la ciencia. 1543.2001, Crítica, S.L., Barcelona,2003
Adolfo Castilla el Lunes, 21 de Abril 2014 a las 15:18

La química se desarrolló de forma importante en la Francia de últimos del siglo XVIII, especialmente de la mano de Antoine Lavoisier, considerado el padre de la química moderna. El comportamiento de los gases y su composición también fue objeto de estudio en aquellos años, de la mano, entre otros, de Daniel Bernoulli. Eso llevó pronto a la idea de la existencia de partículas elementales como componentes de los gases, primero, y de la materia, después. A dichas partículas se las llamará después moléculas y átomos, y el atomismo como teoría explicativa del interior de la materia, se formulará pronto en el siglo XIX y se perfeccionará a lo largo de él. Dicha teoría resultará fundamental para explicar totalmente las leyes del calor y del trabajo.


Las aportaciones teóricas previas a la termodinámica
El mecanicismo, el determinismo, la materia continua y sólida, el universo estable y eterno, la existencia siempre de causas en todos los fenómenos observados en nuestro mundo y varias otras concepciones adicionales, procedentes de la revolución científica, comenzaron a resquebrajarse con la formulación del segundo principio de la termodinámica. Al principio, a partir de los años 20 y 30 del siglo XIX, las nuevas interpretaciones sobre la naturaleza de nuestro mundo, surgidas alrededor de lo que luego se llamaría termodinámica, se mantenían en las manos, o en las mentes, de sus creadores y no se habían difundido mucho en el conjunto de las sociedades avanzadas de la época. Poco a poco serían conocidas y crearían una nueva mentalidad, o cosmovisión, según la expresión que venimos utilizando en este blog.

La revolución industrial seguía su curso, no obstante, y las máquinas de vapor mejoraban cada vez más sin que el conocimiento científico del calor y su transformación afectara mucho a la construcción y uso de dichas máquinas, salvo, quizá, en hacerlas más eficientes. Los padres de la termodinámica, a los que ya hemos hecho referencia, acertaron con las leyes básicas que regían la transformación del calor en trabajo o intercambiabilidad entre estos dos fenómenos, y descubrieron algo verdaderamente relevante como la entropía, a la que más adelante haremos referencias adicionales, pero existían más cosas sobre las que al principio se sabía muy poco. No se conocía muy bien qué era la temperatura, de donde procedía y que ocurría en la materia al calentarse.

La explicación más profunda del calor y la temperatura se apoyó en aportaciones científicas algo anteriores a la época de Sadi Carnot (1796-1832), Clausius (1822-888) y Thomson (1824-1907), de la que venimos hablando. Unos años antes, a finales del siglo XVIII y muy tempranamente en el XIX, algunos hombres reflexionaron sobre el interior de la materia observable y sobre la idea de átomo, antigua desde luego, porque procedía de Demócrito (460 a C - 370 a C), pero que en la Europa de principios del siglo XIX se redescubre o adquiere relevancia de la mano de personajes como los ingleses John Dalton (1766-1844) y Humphry Davy (1778-1829), el sueco Jöns Berzelius (1779-1848), el italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) y el francés Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850), entre otros.

Aunque en aquella época eran muy pocos los científicos profesionales y no había gran distinción en las áreas científicas a las que se dedicaban, la mayoría de los mencionados se interesaron por tres temas relevantes. Uno, la química, continuando así la labor de Lavoisier (1743-1794); otro, la electroquímica, inspirados por Alessandro Volta ; y un tercero, los gases y su naturaleza, terreno antiguo de estudio al haber sido el aire, desde siempre, un tema de interés y, probablemente, al ser el vapor de agua el elemento transformador del calor en trabajo en el que se fundamentó la máquina de vapor.
Adolfo Castilla el Domingo, 20 de Abril 2014 a las 16:12

Continuamos en este post resumiendo lo que fue la formulación del segundo principio de la termodinámica y el concepto de entropía durante las décadas de los años 20, a 50 del siglo XIX. Nos interesa, como siempre, la manera cómo las nuevas explicaciones sobre la naturaleza se abren camino en la mente del hombre y cómo una nueva racionalidad surge y se difunde. En este caso es la termodinámica la que capta nuestra atención, incluidos sus principios o leyes, con énfasis en su segunda famosa ley y en el concepto de entropía, íntimamente ligado a ella.

Mencionamos las personas clave de lo que llamamos termodinámica y dejamos listo el tema para entrar en lo que será una visión atomista o atómica de la materia y de nuestro mundo. Con ella va a venir una interpretación probabilística de la naturaleza.


Termodinámica, entropía y probabilidad
Para estudiar la evolución de la racionalidad humana que es lo que más nos interesa en este post, resulta muy interesante comprobar la forma cómo la mente del hombre descubre la verdadera naturaleza de los fenómenos físicos. Algunos hombres con curiosidad, sentido crítico e inteligencia, se dan cuenta de que las explicaciones existentes sobre algo no sirven para determinar la verdad de un fenómeno y comienzan a pensar en una hipótesis alternativa. Lo hemos visto en el caso del calor y el trabajo, especialmente de la mano del Conde Rumford y en relación con la construcción de cañones. Sadi Carnot (1796-1832) seguramente tuvo acceso a las explicaciones de Rumford y del físico sueco Johan Carl Wilcke (1732-1796) al que también se ha hecho referencia en el post anterior, él mismo hizo pruebas y trabajó tratando de mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor y, finalmente, tuvo la capacidad y la habilidad de publicar un libro con las nuevas propuestas en relación con el calor y el trabajo. Fue ingeniero militar, hijo a su vez de un eminente matemático, militar e ingeniero, e ingresó muy joven en la École Polytechnique de Paris en donde tuvo notables maestros y destacados condiscípulos.

El proceso en sí a través del cual determinados personajes terminan haciendo grandes propuestas sobre el funcionamiento de la naturaleza es mezcla del empirismo y la comprobación en relación con el fenómeno físico en cuestión y del razonamiento intelectual que construye la teoría explicativa y eventualmente sus leyes y formulaciones matemáticas.

Carnot descubrió que en toda transformación de calor en trabajo hay siempre una pérdida de calor, es decir, de energía, ya que el calor es una forma determinada de energía. Dicha pérdida, de acuerdo con el primer principio de la termodinámica, no puede desaparecer, sino pasar a una forma distinta de energía. Para entender qué es lo que pasaba en realidad con la energía disipada se tuvieron que dar pasos adicionales en cuanto a la composición de la materia. Se tuvo que avanzar, como más adelante veremos, en la mecánica estadística, o lo que es lo mismo, en la composición atómica de la materia, en la movilidad de los átomos y en su vibración, aspectos relacionados a su vez con el concepto de “entropía”. Carnot estuvo cerca pero no descubrió este nuevo concepto, como es sabido, aunque no lo podemos saber con certeza ya que murió con 36 años en una epidemia de cólera y sus papeles y pertenencias fueron quemados. Antes y después de dejar el ejército sin pensión alguna, vivió varios años en un asilo para enfermos mentales.

Su obra fue rescatada y difundida años después de su muerte, a partir de 1834, por Émile Clapeyron (1799-1864), destacado físico e ingeniero, también francés, considerado asimismo padre de la termodinámica junto a James Joule (1818-1889), Rudolf Clausius (1822-1888), William Thomson (1824-1907), sin duda, Ludwig Boltzmann (1844-1906), y en parte también, James Clerk Maxwell (1831-1879), el enorme matemático y físico escocés, autor de las ecuaciones de los campos electromagnéticos.

La termodinámica tomó forma a través de la labor de estos últimos personajes, siendo, por ejemplo, Thomson, también conocido por Lord Kelvin, el que por primera vez utilizó ese nombre para referirse al área de conocimientos que estudia: “las relaciones del calor con las fuerzas que actúan entre las partes contiguas de los cuerpos y entre el calor y los fenómenos eléctricos”.

Rudolf Clausius a su vez, fue el introductor de la palabra “entropía ” en los años 1850. Con ella, que en griego significa evolución y transformación, se quiso indicar la energía que no puede transformarse en trabajo o aquello en lo que se convierte la energía perdida en toda transformación de calor en trabajo.

El concepto y la palabra de entropía están unidos a la idea de desorden o enfriamiento absoluto hacia lo que parece tender todo en nuestro universo. Algo realmente novedoso y sorprendente hoy y, sobre todo, en la época en que esas cosas fueron formuladas, ya que nuestro planeta, la vida, y nosotros mismos, somos fenómenos contrarios a esa ley de la naturaleza. Somos de hecho fenómenos “neguentrópicos” o de entropía negativa. Y algo además de enorme trascendencia para las interpretaciones posteriores: la formulación matemática y probabilística del desorden, o caos, hacia el que tiende, supuestamente, el universo.

Para muchos, la segunda ley de la termodinámica, que es una ley existente en la naturaleza, junto con la idea de “entropía”, un fenómeno también natural, constituyen las leyes más importantes que el hombre ha formulado a lo largo de la historia de la humanidad. Quizá haya sido cierto hasta la formulación de la mecánica cuántica.
Adolfo Castilla el Domingo, 23 de Marzo 2014 a las 18:57

Sorprende lo difícil que resulta para el hombre descubrir o establecer las leyes de la naturaleza. Se consigue a través de largos procesos de prueba y error y de aproximaciones sucesivas que terminan por dar resultados satisfactorios en forma de teorías explicativas, leyes de funcionamiento y fórmulas matemáticas que relacionan variables. Las hipótesis tentativas que se formulan son a veces extrañas e ingenuas pero su rechazo y su perfeccionamiento permiten objetivos notables que significan de hecho nuevos niveles de evolución del cerebro humano, y más precisamente, de su mente.

Nos parece que el cerebro y la inteligencia son cosas terminadas pero no es así en absoluto, y, por supuesto, cada vez que se descubre una nueva ley de la naturaleza o se explica un fenómeno importante, la mente del hombre da saltos evolutivos y la racionalidad avanza y se perfecciona. Los saltos en cuestión ocurren en la mente de personas concretas, muy notables, que constituyen en realidad flechas evolutivas de nuestra especie. Con frecuencia una de esas personas da el primer salto cualitativo de imaginar las cosas de forma diferente a cómo se creía que eran con anterioridad, y otras, relacionadas con el tema, las perfeccionan. Previamente además, hay aportaciones diversas en las interpretaciones que sin duda dirigen y orientan el pensamiento de las personas que hacen la síntesis. A posteriori, por otra parte, hay un largo periodo en el que las nuevas ideas tienen que difundirse, entenderse y compartirse.

En el presente post hacemos una incursión en uno de esos momentos destacados de la humanidad en el que se descubren las leyes del calor y del trabajo.


La segunda ley de la termodinámica y el concepto de entropía
En los años 20 del siglo XIX se produjo uno de los saltos en la racionalidad humana mencionados en la entradilla al que queremos referirnos aquí. Fue muy importante porque dio lugar a una interpretación de la realidad de nuestro mundo muy distinta a la ya establecida y bien difundida entonces deducida de la Revolución Científica de los siglos XVI, XVII y principios del XVIII. Una interpretación que andando el tiempo daría lugar a una nueva y gran cosmovisión. Se trata de la explicación de las leyes de la energía, el calor y el trabajo, de la formulación de la segunda ley de la termodinámica y de la introducción del concepto de “entropía”.

Haremos una revisión rápida del tema mencionando y de las personas clave, pero advertimos, como siempre, que la historia escrita en la que nos apoyamos no deja de ser la de las culturas en las que la ideas surgieron, en este caso las de Francia e Inglaterra. Son los dos países europeos en los que la industria, la tecnología y la ciencia habían prendido con más fuerza en aquella época. Alemania se incorporó con algo de retraso y lo mismo ocurrió con otros países europeos.

Como ya se ha visto en este blog, las tecnologías relacionadas con la utilización del carbón mineral, el vapor de agua y la máquina de vapor habían evolucionado mucho y sus aplicaciones se había extendido por doquier. Fue uno de los momentos en la historia de la humanidad en los que una nueva forma de energía dio un gran impulso a la sociedad, creó riqueza y permitió el desarrollo.

A pesar de ello no se conocía con precisión la naturaleza de la energía, del calor y del trabajo, y mucho menos las leyes que gobernaban esos fenómenos. Ya se ha hablado de la idea del “calórico” que se suponía era un fluido que impregnaba la materia y del que salía el calor. Y creo que se ha hecho referencia también a Benjamin Thompson (1753-1814), Conde Rumford, quizá la primera persona que empezó a dudar de la existencia del “calórico” y la que relacionó el trabajo con el calor. Se trató de un americano de las colonias que en la independencia optó por seguir siendo británico e hizo una larga carrera en Europa como médico, inventor, militar y político, y que forma parte de la revolución de la termodinámica. Siendo responsable de la fabricación de cañones en Baviera, en donde vivió a partir de 1875 y donde fue Ayudante de Campo del Príncipe Elector Charles Theodore, se dio cuenta que el calor no se agotaba como cabría deducir de la existencia del calórico, sino que cada vez aumentaba más cuando las herramientas para horadar el interior del cañón actuaban arrancando el hierro del que el cañón se fabricaba.

Pensó que el calor se transformaba en trabajo y el trabajo en calor y publicó sus descubrimientos, aunque se encontró en ello con la competencia del físico sueco Johan Carl Wilcke (1732 –1796) que en paralelo había llegado a las mismas conclusiones.

Pero la termodinámica como ciencia surge de la mano del ingeniero militar francés y físico Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832), en 1824 con la publicación de su libro Réflexions sur la puissance motive de feu. Analizó en él la eficiencia de las máquinas de vapor al convertir el calor en trabajo y demostró que el trabajo se producía cuando el calor pasa de una temperatura más alta a una más baja. El término de termodinámica como tal no fue utilizado hasta que lo acuñó en 1849 el gran físico inglés, William Thomson, Primer Barón Kelvin (1824 – 1907), otro de los nombres destacados de la ciencia del siglo XIX.

Carnot formuló una segunda ley (o segundo principio) de la termodinámica rudimentaria al explicar la transformación del calor en trabajo y al señalar que hay siempre una pérdida de calor en ese proceso. No llegó a introducir, sin embargo, el concepto de “entropía”, que fue obra, años después de la muerte de Carnot, de otro de los padres de la termodinámica, el físico y matemático alemán, Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822 –1888).
Adolfo Castilla el Sábado, 22 de Marzo 2014 a las 22:43

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Editado por
Adolfo Castilla
Adolfo Castilla
Doctor Ingeniero del ICAI y Catedrático de Economía Aplicada, Adolfo Castilla es también Licenciado en Económicas por la Universidad Autónoma de Madrid, Licenciado en Informática por la Universidad Politécnica de Madrid, MBA por Wharton School, Master en Ingeniería de Sistemas e Investigación Operativa por Moore School (Universidad de Pennsylvania). En la actualidad es asimismo Presidente de AESPLAN,
Presidente del Capítulo Español de la World Future Society, Miembro del Consejo Editorial de Tendencias21, Miembro del Alto Consejo Consultivo del Instituto de la Ingeniería de España, Profesor de Dirección Estratégica de la Empresa en CEPADE y en la Universidad Antonio de Nebrija.

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