HISTORIA Y PANORAMA DE INVESTIGACION Y APLICACIONES DE LA FISICA TERMODINAMICA Y FISICA ESTADISTICA - I. Horacio S.Wio Beitelmajer (a)

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1 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

2 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, ;

3 Antecedentes: Liquidos y Gases Arquimedes de Siracusa ( ), 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.

4 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

5 Heron de Alejandria (c ) 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.

6 Simon Stevin ( , 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.

7 Evangelista Torricelli ( , 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).

8 Blaise Pascal ( , Clermont-Ferran) matematico y fisico frances, aparentemente fue un niño prodigio. Realizo numerosas trabajos en fisica y matematicas. Contemporaneo de Pierre de Fermat ( ), con quien mantuvo correspondencia en relacion a la teoria de probabilidades. 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 varios cientificos de la epoca, en relacion a la existencia del vacio, de la cual el era entusiasta defensor.

9 Otto von Guericke ( , 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

10 Robert Boyle ( , 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

11 Edme Mariotte ( , 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.

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

13 Daniel G. Fahrenheit ( , Danzig), fue un ingeniero y fisico aleman que determino la escala de temperaturas que lleva su nombre. Anders Celcius ( , 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.

14 Guillaume Amontons ( , 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.

15 Guillaume Amontons ( , 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 ( , 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:

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

17 Joseph Black ( ), medico escoces, conocido por el descubrimiento del calor latente y el calor especifico del dioxido de carbono. Antoine Laurent Lavoisier ( ), 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.

18 Pierre Simon (marques) de Laplace ( , 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.

19 Jacques August Charles ( , 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

20 Jacques August Charles ( , 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 ( ) 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.

21 Joseph Fourier ( , 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:

22 Louis Joseph Gay-Lussac ( ) 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.

23 John Dalton ( , 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,...

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

25 Thomas Newcomen ( , Dartmouth) ingles, comerciante, industrial y traficante de hierro y sus productos. Desarrollo una maquina de vapor para bombear agua. James Watt ( , 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

26 Nicolas Leonard Sadi-Carnot ( , 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.

27 Benoit Emile Paul Clapeyron ( , 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:

28 Entropia y energia : Thomas Young ( , 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.

29 Entropia y energia : Thomas Young ( , 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 ( , 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.

30 Julius Robert Mayer ( , 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:

31 Julius Robert Mayer ( , 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 ( ), 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 (la expansion libre de un gas no desprende ni absorbe calor).

32 Hermann Ludwig von Helmholtz ( , 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)

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