De la máquina de vapor al cero absoluto

De la Máquina de Vapor al Cero Absoluto
Leopoldo García-Colín
I. Bosquejo Histórico
Existe una complicada interrelación entre la ciencia y la tecnología, al grado que es difícil pensar que ésta última sea ajena al quehacer científico. La tecnología emanó de los resultados de la investigación científica. Pero en el caso de los dispositivos que transforman energía y en particular energía térmicaen trabajo mecánico, la situación fue completamente la opuesta.

La primera máquina térmica de que se tiene evidencia escrita fue descubierta por Hero de Alejandría y llamada la aeolipila. Es una turbina de vapor primitiva que consiste de un globo hueco soportado por un pivote de manera que pueda girar alrededor de un par de muñones, uno de ellos hueco. Por dicho muñón se puede inyectar vaporde agua, el cual escapa del globo hacia el exterior por dos tubos doblados y orientados tangencialmente en direcciones opuestas y colocados en los extremos del diámetro perpendicular al eje del globo. Al ser expelido el vapor, el globo reacciona a esta fuerza y gira alrededor de su eje.

En 1698 Thomas Savery obtuvo una máquina para elevar cantidades considerables de agua. Su funcionamientoconsistía esencialmente en inyectar vapor a un recipiente lleno de agua hasta vaciar su contenido por un tubo vertical a través de una válvula de seguridad. Cuando el recipiente se vacía cesa el suministro de vapor y el vapor contenido se condensa por medio de un chorro de agua fría que cae sobre las paredes exteriores de dicho recipiente y que proviene de una cisterna colocada en su parte superior.Esto produce un vacío y permite que otro tubo, controlado por otra válvula de seguridad, aspire agua del pozo distribuidor a cualquiera que sea la fuente. Entre tanto, una operación paralela se lleva a cabo en otro recipiente semejante al primero. El vapor se suministra de un horno que consiste de una caldera principal que tiene una alimentación continua de agua caliente la cual proviene de otrohorno que calienta agua fría por el fuego encendido en su hoguera. Los niveles de agua en las calderas se controlan por sendas válvulas de presión. Esta máquina, que puede considerarse como la primera máquina de vapor


Ya en 1690 Denis Papin hizo la primera versión de una máquina de vapor usando un cilindro y un pistón. En 1705 Thomas Newcomen y John Cawley, mejoraron la operación del pistón yproduciendo trabajo mecánico.


Con mejoras en el diseño y la construcción, la máquina de vapor se transformó en la máquina habitual para la navegación marina lográndose alcanzar presiones de vapor muy altas y velocidades de pistón considerables.

Joseph Black distinguió con toda precisión la diferencia entre calor y temperatura e introdujo por primera vez los conceptos de calor específico ycalor latente. Dijo que el calor tiene una tendencia a difundirse de cualquier cuerpo caliente hacia otros más fríos hasta que el calor se distribuye entre ellos de una manera tal que ninguno es capaz de tomar más que los restantes. Así el calor alcanza un estado de equilibrio.

Rumford concluyó que la fuente generada por la fricción es inagotable y señaló que cualquier cosa que uno o varioscuerpos puedan generar sin límite alguno no puede ser substancia material.

Carnot demostró que la fuerza motriz del calor es independiente de los agentes usados en producirla; su cantidad está determinada unívocamente por las temperaturas de los dos cuerpos entre los cuales ocurre. Sus ideas fueron apreciadas e incorporadas en la teoría moderna del calor, y fueron la fuente esencial de dondeemanaron las leyes de la termostática.

II. El principio de la conservación de la energía

Los estudios decisivos que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en la Gran Bretaña. Tales estudios estuvieron inspirados en los trabajos que Rumford había llevado a cabo casi cincuenta años antes. En un trabajo intitulado EI...