hc1 - Instituto de Física de Cantabria

HISTORIA Y PANORAMA DE
INVESTIGACION Y APLICACIONES
DE LA FISICA
TERMODINAMICA Y
FISICA ESTADISTICA - I
Horacio S.Wio Beitelmajer (a)
Instituto de Fisica de Cantabria
UC-CSIC, Santander
(a) Electronic address: wio@ifca.unican.es
http://www.ifca.unican.es/users/wio/

Antecedentes:
• Liquidos y gases
Arquimedes, Heron, Stevin, Toricelli, Pascal, von
Guericke, Boyle, Mariotte;
• Termometria y Gases, Calorimetria,
Fahrenheit, Celcius, Gay-Lussac, Dalton, ...;
• Maquinas Termicas:
Newcomen, Watt, Sadi-Carnot, Clapeyron,...;
• Entropia y Energia:
Young, Mayer, Joule, Helmholtz, …;

Antecedentes: Liquidos y Gases
Arquimedes de Siracusa (287-212), gran matematico,
fisico, ingeniero, inventor y astronomo griego, uno
de los grandes cientificos de la “era clasica”.
La anecdota mas conocida: el rey Hiero II queria
una nueva corona con forma de hojas de laurel, pero
desconfiaba de su orfebre. Solicito a Arquimedes
investigara si la corona era de oro puro, o si el oro
habia sido mezclado con plata. Segun cuenta la
leyenda, fue al darse un baño cuando Arquimedes
descubrio la forma de determinar la densidad del
objeto sin dañarlo, y cuando, gritando el ya famoso
“Eureka!”, partio corriendo, desnudo, hacia palacio.

Son numeroso los trabajos en inventos atribuidos a Arquimedes,
y sin detenernos demasiado, solo señalare el
“tornillo de Arquimedes”, y el uso de espejos
para, reflejando la luz del Sol, incendiar las
naves romanas durante el asedio y
conquista de Siracusa

Heron de Alejandria (c. 10-70 ) fue un
matematico e inventor griego que vivio
en la ciudad de Alejandria, en la provincia
romana de Egipto. Fue un gran experimentador,
y se le atribuyen diversos inventos y diseños.
Entre ellos, un aparato que funcionaba
mediante vapor de agua, llamado “aeolipile”
o “maquina de Heron”.

Simon Stevin (1548-1620, Bruges, hoy Belgica)
matematico flamenco reconocido por sus
aportes entre los que se cuenta la “paradoja
hidrostatica” (la presion de un liquido hacia
abajo, es independiente de la forma del recipiente
y solo depende de la altura y de la superficie de
la base). Fue el primero en dar una medida de la
presion sobre cualquier pared de un recipiente.

Evangelista Torricelli (1608-1647, Faenza),
notable cientifico italiano, estudiante de Galileo,
mejor conocido por su
invencion del barometro (1643).
Many have said that a vacuum does not exist,
others that it does exist in spite of the repugnance
of nature and with difficulty; I know of no one who
has said that it exists without difficulty and without
a resistance from nature. I argued thus: ....
Ley de Torricelli: determina la velocidad de un
fluido que escapa por un agujero de un
recipiente (caso particular
del principio de Bernoulli).

Blaise Pascal (1623-1647, Clermont-Ferran)
matematico y fisico frances, aparentemente
fue un niño prodigio.
Realizo numerosas trabajos en fisica y
matematicas. Contemporaneo de Pierre de
Fermat (1601-1665), con quien mantuvo
correspondencia en relacion a la teoria de probabilidades.
varios cientificos de la epoca, en
relacion a la existencia del vacio, de
la cual el era entusiasta defensor.
Bien conocido el llamado “triangulo de Pascal”.
Establecio la “ley de Pascal”, un importante
principio de la hidrostatica, y contribuyo a
la hidrodinamica. Inspirado por los trabajos
de Torricelli, realizo e inspiro estudios sobre
la presion atmosferica y su dependencia, con la
altitud. Mantuvo “acaloradas” discusiones con

Otto von Guericke (1602-1686, Magdeburg), cientifico,
inventor y politico aleman. Si bien es conocido por
sus estudios sobre la utilizacion del barometro para
la determinacion de la presion atmosferica y la
prediccion del clima, abriendo el camino hacia la
meteorologia, sus mayores logros se relacionan
con estudios del vacio. De hecho, alrededor de 1650
invento la “bomba de vacio”, lo que le permitio refutar
la idea del “horror vacui” (que la naturaleza aborrese el vacio).
Es famoso su experimento consistente en dos hemisferios de cobre
(51 cm de diam.) en contacto, dentro de los cuales se realizo vacio,
que, siendo tirados por 8 caballos en cada
direccion, no pudieron ser separados

Robert Boyle (1627-1691, Waterford), “filosofo
natural”, fisico, quimico e inventor irlandes,
hijo del 1er Conde de Cork. Si bien puede
decirse que Boyle era un “alquimista” que creia
en la posibilidad de “trasmutacion” de los
metales, sus investigaciones y estudios en
fisica y quimica le dieron renombre. Se destaca
la “ley de Boyle” de los gases ideales
una “explicacion”

Edme Mariotte (1620-1684, Til-Châtel), cura y fisico
frances. Si bien realizo interesantes estudios sobre
fluidos, color, sonido, el barometro, la caida de los
cuerpos, el congelamiento del agua, etc, es mas
conocido por su contribucion al reconocimiento
de la “ley de Boyle”. En uno de los ensayos que
publicara entre 1676 y 1679, establecia que la
variacion del volumen de un gas, era inversamente
proporcional a la presion aplicada, coincidiendo
con lo establecido por Boyle.

Daniel G. Fahrenheit (1686-1736, Danzig), fue
un ingeniero y fisico aleman que determino la
escala de temperaturas que lleva su nombre.

Daniel G. Fahrenheit (1686-1736, Danzig), fue
un ingeniero y fisico aleman que determino la
escala de temperaturas que lleva su nombre.
Anders Celcius (1701-1744, Uppsala), fue un
astronomo sueco, profesor de astronomia en
la Universidad de Uppsala, donde parte de sus
investigaciones se relacionaron a observar
de la aurora boreal. Es conocido por haber
creado la escala de temperaturas que lleva su
nombre. Estudio la variacion del punto de
congelamiento y el de ebullicion del agua con
la presion atmosferica.

Guillaume Amontons (1663-1705, Paris) fisico e
inventor de instrumentos cientificos frances.
Realizo experimentos sobre relaciones entre el
volumen, la presion y temperatura de gases, que
sirvieron de fundamento a la determinacion de
algunas leyes termodinamicas. Fue el primero en
discutir la nocion de un “cero absoluto de
temperatura”.

Guillaume Amontons (1663-1705, Paris) fisico e
inventor de instrumentos cientificos frances.
Realizo experimentos sobre relaciones entre el
volumen, la presion y temperatura de gases, que
sirvieron de fundamento a la determinacion de
algunas leyes termodinamicas. Fue el primero en
discutir la nocion de un “cero absoluto de
temperatura”.
George Wilheim Richmann (1711-1753, Pernau,
Letonia), fisico aleman que vivio en Rusia.
Establecio que la cantidad de calor que se entregaba
a un cuerpo al cambiar su temperatura era
proporcional a su masa y a la diferencia de
temperaturas:

Joseph Black (1728-1799), medico escoces,
conocido por el descubrimiento del calor latente
y el calor especifico del dioxido de carbono.

Joseph Black (1728-1799), medico escoces,
conocido por el descubrimiento del calor latente
y el calor especifico del dioxido de carbono.
Antoine Laurent Lavoisier (1743-1824), cientifico
frances, considerado el padre de la “quimica
moderna”. Establecio la “ley de conservacion de
masas”, y “destrono” la teoria del “flogisto”.
Realizo trabajos pioneros relacionados con gases,
agua, combustion. Establecio las reglas de
“estequiometria”.

Pierre Simon (marques) de Laplace (1749-1824,
Normandia), matematico y astronomo frances.
Notable matematico, contribuyo en numerosas
areas, tales como teoria de probabilidades,
estabilidad en astronomia, analisis matematico,
esfericos armonicos, mecanica celeste, conceptos
de transformadas matematicas, y estuvo muy cerca
de impulsar el concepto de “agujeros negros”.
Introdujo conceptos relacionados con
calores especificos, calores de fusion y
de reaccion, y con la respiracion en
hombres y animales.

Jacques August Charles (1746-1823, Beaugency)
inventor, cientifico, matematico y “piloto de globos”
frances. Establecio la denominada “ley de Charles”
que indica como los gases tienden a expandirse
al ser calentados.
V 1/T 1 = V 2/T 2

Jacques August Charles (1746-1823, Beaugency)
inventor, cientifico, matematico y “piloto de globos”
frances. Establecio la denominada “ley de Charles”
que indica como los gases tienden a expandirse
al ser calentados.
V 1/T 1 = V 2/T 2
Jan Ingenhousz (1730-1799) quimico, medico y biologo
holandes. Conocido por sus estudios de influencia de
la luz en fotosintesis, respiracion celular, ..., realizo
estudios de propagacion del calor, analizando varillas
de diversos materiales adosadas a un recipiente de
cobre, y cubiertas de cera.

Joseph Fourier (1768-1830, Auxerre) matematico y fisico
frances. Acompaño a Napoleon en su expedicion a
Egipto (1798). Conocido por los metodos de desarrollo
en funciones trigonometricas (o desarrollo de Fourier).
En 1822 publico su libro “Teoria analitica del calor”, y
obtuvo su famosa ecuacion del calor:

Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850) quimico
y fisico frances.
Establecio que si la presion y masa de un gas
permanecian constantes, el volumen del mismo
variaba linealmente con la temperatura: V = k T
La constante k, se pudo determinar de la ley de
los gases ideales: k = n R / P .

John Dalton (1766-1843, Eaglesfield) quimico,
meteorologo y fisico ingles. Sus estudios sobre
problemas, que el mismo sufria, dieron lugar a que
comunmente se llame “daltonismo” a la ceguera
o incapacidad de distinguir algunos colores.
En sus “Experimental Essays” presento sus
estudios sobre mezclas de
gases, presion de vapor,
evaporacion y expansion
termica de gases.
Defensor de la teoria atomica, establecio
relaciones precisas en reacciones quimicas,
la nocion de elemento, que tales
elementos se combinan para formar
compuestos, ....

Thomas Newcomen (1664-1729, Dartmouth)
ingles, comerciante, industrial y traficante
de hierro y sus productos. Desarrollo una
maquina de vapor para bombear agua.

Thomas Newcomen (1664-1729, Dartmouth)
ingles, comerciante, industrial y traficante
de hierro y sus productos. Desarrollo una
maquina de vapor para bombear agua.
James Watt (1736-1819, Greenook) ingeniero
mecanico e inventor
escoces. Mejoro en
forma notable la maquina
de Newcomen, para
convertirla en una
maquina eficiente. Fue
uno de los disparadores
de la “revolucion
industrial”

Nicolas Leonard Sadi-Carnot (1796-1832, Paris)
fisico e ingeniero militar frances.
En 1824 publico “Reflexiones sobre la potencia
motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas
para desarrollar esta potencia”, donde expuso.
los primeros principios de la termodinamica.
En sus estudios sobre maquinas termicas
impulso la idea del calorico (el cual era
indestructible), comparaba dichas maquinas con
saltos de agua, mostro que el rendimiento de
tales maquinas era maximo si el proceso era reversible, e introdujo
el hoy conocido “ciclo de Carnot”.

Benoit Emile Paul Clapeyron (1799-1864, Paris)
ingeniero y fisico frances, considerado uno de
los fundadores de la termodinamica.
Realizo su primera contribucion en 1834, con la
publicacion de “La fuerza motriz del calor”,
donde desarrollo el trabajo de Sadi Carnot. Alli
presento el trabajo de Carnot en una forma mas
clara y accesible, descartando las ideas
desarrolladas por Carnot, basadas en el concepto del “calorico”.
Clapeyron introdujo la idea de los procesos reversibles, introdujo el
diagrama V-T, y forjo una version definitiva del “principio de Carnot”,
en la forma hoy conocida como “2do principio de la termodinamica”.
La caracterizacion de transiciones discotinuas lo llevo a la relacion
de Clausius-Clapeyron:

Entropia y energia :
Thomas Young (1773-1829, Milverton) cientifico
ingles considerado un genio que descifro los
geroglificos egipcios aun antes que Champollion.
Realizo notables contribuciones en los campos de
la vision, la luz, la mecanica de solidos, la energia,
fisiologia, etc. Conocido por su teoria ondulatoria
de la luz, y el “modulo de Young” en problemas de elasticidad, entre
otros aspectos. Utilizo la nocion de energia para reemplazar el
concepto de “vis viva” utilizado por Leibnitz.

Entropia y energia :
Thomas Young (1773-1829, Milverton) cientifico
ingles considerado un genio que descifro los
geroglificos egipcios aun antes que Champollion.
Realizo notables contribuciones en los campos de
la vision, la luz, la mecanica de solidos, la energia,
fisiologia, etc. Conocido por su teoria ondulatoria
de la luz, y el “modulo de Young” en problemas de elasticidad, entre
otros aspectos. Utilizo la nocion de energia para reemplazar el
concepto de “vis viva” utilizado por Leibnitz.
Rudolf Clausius (1822-1888, Köslin) matematico y
fisico aleman, considerado uno de los fundadores de
la termodinamica. Reformulo las ideas de Carnot, y
dio una base solida a la teoria del calor. Introdujo el
concepto de entropia, y formulo la 2da ley de la
termodinamica.

Julius Robert Mayer (1814-1878, Heilbronn), medico
y fisico aleman. Considerado uno de los fundadores
de la termodinamica, establecio el principio de
conservacion de la energia (en una forma que es una
de las primeras formulaciones del 1er principio de
la termodinamica): la energia no puede ser creada
ni destruida.
Para un gas ideal derivo la relacion de Mayer:

Julius Robert Mayer (1814-1878, Heilbronn), medico
y fisico aleman. Considerado uno de los fundadores
de la termodinamica, establecio el principio de
conservacion de la energia (en una forma que es una
de las primeras formulaciones del 1er principio de
la termodinamica): la energia no puede ser creada
ni destruida.
Para un gas ideal derivo la relacion de Mayer:
James Prescott Joule (1818-1889),
fisico (amateur) y cervecero ingles.
En sus estudios del calor descubrio
su relacion con el trabajo mecanico,
lo cual dio lugar a la teoria de
conservacion de la energia, y la
primer ley de la termodinamica.
Determino el equivalente mecanico
del calor, el efecto Joule-Thompson -1852 (la expansion
libre de un gas no desprende ni absorbe calor).

Hermann Ludwig von Helmholtz (1821-1894,
Potsdam) medico y fisico aleman.
Muy conocido por sus estudios y teorias de la
vision, y de la percepcion visual, como tambien
sobre la sensacion del tono y la percepcion del
sonido. En fisica es muy conocido por sus
estudios sobre la conservacion de la energia, la
electrodinamica, la termodinamica quimica, y la
fundamentacion mecanica de la termodinamica.
Basado en los trabajos de Carnot, Clapeyron,
Joule, postulo una relacion entre la mecanica, el
calor, la luz, la electricidad y el magnetismo,
tratando a todas ellas como manifestaciones de
una unica “fuerza” (lo que hoy en dia se identifica
con la energia)