Física XIX. En el segle XX (i III)

1999/03/01 Bandres Unanue, Luis Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Biologia

Termodinàmica

En 1824 el francès Sadi Carnot va afirmar que totes les màquines tèrmiques necessiten un cos calent o qualsevol font de calor i un altre cos fred o condensador, i que en treballar la màquina la calor passava contínuament del cos calent al cos fred. Carnot va deixar escrita la idea de conservació de l'energia. No obstant això, al llarg dels anys el seu treball no es va entendre bé perquè ho van posar en el terreny calòric. Segons això, s'admetia que la calor passava per la màquina sense variar el número i que el treball s'obtenia per la disminució de la temperatura, com quan l'aigua passa per una turbina.

Carnot va observar que per a estudiar les lleis de les màquines tèrmiques calia partir del cas més simple, és a dir, que calia investigar sobre un cicle de màquines sense cap mena de fricció i sense pèrdues de calor, i que la substància utilitzada (vapor, aire comprimit o qualsevol altra), després de passar per diferents situacions, havia de passar al seu estat inicial. Part del treball realitzat d'una altra manera podia provenir de l'energia interna de la substància, per la qual cosa el treball realitzat no seria totalment degut a la causa de la calor passada per la màquina.

Clausius i Thomson van donar a la teoria dels cicles de Carnot l'aspecte que coneixem avui dia. D'altra banda, els treballs realitzats per Joule van permetre conèixer l'equivalència entre calor i treball. I que una pot convertir-se en una altra o viceversa. No obstant això, de seguida es van adonar que encara que un nombre fix de tasques pot convertir-se en calor total, en el procés invers no s'aconsegueix el 100%. Van veure que només una part de la calor utilitzada tant en màquines de vapor com en altres tèrmiques era transformat en treball, sense que l'altra part fos necessàriament convertida en calor.

Sobre la base d'aquesta idea i obra, Thomson, que després seria el lord Kelvin, va inventar l'escala de temperatures natural o absoluta que porta el seu nom en l'actualitat, la de graus Kelvin. Abans, a través d'un assaig realitzat per Meyer, Joule va convertir el treball en calor utilitzant la compressió de l'aire. Però Joule, de pas, també va arribar a la conclusió que l'aire, en deixar-lo dilatar sense treballar, no sofria canvis de temperatura.

Tots aquests passos donats en la termodinàmica van tenir algunes conseqüències, d'una banda, van dotar d'unes bases sòlides per al desenvolupament de màquines tèrmiques i, per un altre, van impulsar i van canalitzar fortament l'avanç de la física i la química en diferents direccions. Faraday va transformar el clor en líquid mitjançant un finíssim instrument, igual que altres investigadors van aconseguir que tots els gasos fossin liquats. Així, va quedar demostrat que totes les matèries poden aparèixer en tres situacions. En 1898 Dewar va aconseguir liquar l'hidrogen. El termo que utilitzem actualment per a mantenir les begudes calentes procedeix d'envasos de vidre amb cambra de buit ideada per Dewar per als seus assajos.

Per a poder treballar eficaçment mitjançant la calor és necessari un salt de temperatura. Tant si s'elimina la diferència de temperatura, com si la calor es transmet per conducció, convecció o radiació en la Naturalesa, per la qual cosa en produir-se canvis en el sistema aïllat en un només sentit, la seva capacitat és menor, per la qual cosa la funció matemàtica que Clausius va definir com a entropia "" és cada vegada major. Quan la capacitat de treball de l'energia calorífica aconsegueix el seu límit mínim, l'entropia aconsegueix el seu màxim, la qual cosa permet obtenir condicions d'equilibri del sistema. En la construcció de la teoria de l'equilibri físic i químic aquest segle, juntament amb Clausius i Thomson, tenim a Holmholtz, Gibbs i Nernst.

La primera llei de la termodinàmica reivindica la conservació de l'energia. El segon ens diu que la tendència energètica és cada vegada més degradada. Amb aquestes dues idees i estenent-les a tot l'univers, es pretenia deduir que l'energia del cosmos s'està convertint constantment en calor, que a mesura que els salts de temperatura eren més petits, s'anava fent cada vegada més difícil. Per això XIX. Els físics del segle XX van anunciar que en el futur, després de transformar tota l'energia de l'univers en calor i expandir-la uniformement, no podria dur-se a terme cap altra modificació. Tanmateix, això significa, entre altres coses, que les normes observades en un àmbit limitat són aplicables a un altre més complex. Però tot això ens porta a un altre camp del coneixement.

Teoria de la llum

XIX. Una altra teoria antiga que va ressuscitar a principis del segle XX va ser la teoria ondulatòria de la llum. XVII. En el segle XVIII Hooke i uns altres el van defensar d'alguna manera i Huygens el va proposar amb major precisió, però la seva oposició a Newton i la seva opinió sobre el tema era de gran pes, per la qual cosa la proposta d'Huygens no va ser considerada. Newton tenia dues raons per a deixar de costat la teoria d'ones de la llum: d'una banda, no representava bé el fenomen de les ombres, ja que si la llum fos una ona com la que fa qualsevol ona (per exemple el so), embolicaria els cossos opacs i, per un altre, no es representaven les ones que vibren en la seva adreça de propagació en el fenomen de la doble refracció observada en l'espat d'Islàndia. Aquestes dificultats van ser resoltes per Young (1773-1829) i Fresnel (1788-1827) donant a la teoria ondulatòria el seu aspecte actual.

Young va fer passar la llum blanca a través de dos orificis realitzats amb una agulla en una pantalla i va mirar l'exposat sobre una altra pantalla que hi havia darrere. En els punts en els quals coincidien els raigs dels dos orificis de la segona pantalla, es va observar periòdicament una gran quantitat de bandes fosques i de color brillant, provocades per les interferències de les ones anàlogues dels dos feixos de llum. Quan una ona arribava a la pantalla tenia un desfasament mitjà de la longitud d'ona respecte a l'altra, apareixent el fosc que unia la punta d'una amb el fons de l'altra, mentre que quan els cims d'ambdues coincidia, la intensitat de la llum es duplicava i apareixien colors brillants. Substituint la llum blanca composta per una llum d'un sol color (freqüència), en lloc de les bandes acolorides apareixen alternativament la lluentor i la foscor d'aquest color.

Les dimensions de l'aparell i l'amplària de les bandes van demostrar que es poden trobar longituds d'ona de diferents colors. Es calcula que les longituds d'ona eren molt curtes, de dues mil·lèsimes per mil·límetre, i que les mesures dels obstacles que la llum troba en el seu camí eren molt elevades respecte a la seva longitud d'ona. Per això, la llum es propaga en línia recta i el fenomen que apareix en envoltar un obstacle, avui conegut com a difracció, és molt petit.

La segona dificultat de Newton va ser resolta per Fresnel. Hooke va plantejar la hipòtesi que les vibracions que en el seu moment formen la llum es propagaven en la direcció dels raigs. Fresnel va assumir aquesta hipòtesi i va poder expressar clarament el fenomen de la doble refracció que es presentava en l'espat islandès.

Fresnel va desenvolupar matemàticament la teoria d'ones de la llum amb major precisió. En realitat, i després de reconèixer que alguns problemes encara estaven pendents, es pot afirmar que, en general, la seva teoria s'ajustava als fenòmens observats. El propi Fresnel i els seus seguidors XIX. En el segle XVIII es va completar i va arrodonir la teoria d'ones clàssica de la llum.

Però si la llum és l'ona, és a dir, si es tracta d'un moviment ondulatori mecànic, és necessari un mitjà material per a la seva propagació, però mentre no es coneixia, es va proposar i va acceptar l'ajuda de l'èter "" per a ocupar el seu lloc. A causa de les particularitats de les ones lluminoses, les característiques requerides per aquest mitjà no es presenten en líquids o gasos, sinó en sòlids, per la qual cosa no es veia que aquell èter havia de ser rígid. Paral·lelament, es va iniciar una extensa teoria de la solidesa elàstica de l'èter. D'altra banda, la llum provenia del Sol a través de l'èter i dins d'aquest èter rígid els planetes es movien sense cap mena d'impediment: com es podia? XIX. En la primera meitat del segle XX era un gran repte per als físics. Per a posar tot això en comú es va proposar també l'existència d'èters girostáticos, però la declaració procedeix d'una altra manera: que l'èter no es necessita.

Per a això Faraday va haver de demostrar que en l'espai, en el buit, es produïen fenòmens electromagnètics. Després Clerk Maxwell (1831-1879) va comprovar que la llum era només un tipus d'ones electromagnètiques, amb el que la resistència d'aquest èter es va esfondrar. El primer capítol del que avui es coneix com a física "de camp" és la teoria ondulatòria de la llum; el segon, Faraday i Maxwell van escriure la teoria combinant la llum amb l'electromagnetisme; el tercer, la teoria de la gravitació per a representar geomètricament la gravitació d'Einstein, però aquesta és totalment aliena al marc temporal d'aquestes línies.

Ondas elèctriques

En la prosperitat del resultat obtingut per Faraday podem veure la seva increïble intuïció. Quan un corrent elèctric desvia l'agulla magnètica en l'espai o fa aparèixer la força electromotriu en un altre circuit, hem de pensar que hi ha "acció remota" sense expressió o "alguna cosa" que actua com a mitjà de transport en l'espai intermedi. Faraday va seguir el segon camí i va inventar el concepte de les línies de força, que sortien d'uns punts i anaven a altres punts i així va poder dibuixar aquesta influència.

Maxwell va posar a les idees de Faraday una indumentària matemàtica sabent que el corrent elèctric generava un camp magnètic en el qual la força magnètica era perpendicular al corrent i, tenint en compte que els canvis en el camp magnètic generaven força electromotriu, va quedar totalment clar que les forces elèctriques i magnètiques estaven completament unides. Per això, quan es propaga la modificació de la polarització dielèctrica en un mig aïllant, es propaga com una ona electromagnètica. En aquesta expansió les forces magnètiques i elèctriques van perpendiculars unes a altres en el pla del front d'ona de l'expansió. Maxwell va descobrir les equacions diferencials que condueixen aquestes ones. Segons aquests, la velocitat de les ones depenia de les característiques magnètiques i elèctriques del mitjà.

El propi Maxwell i altres físics van calcular la velocitat d'aquestes ones. Es va descobrir que era d'uns 30.000 quilòmetres per segon, com la velocitat de la llum. Maxwell va concloure que la llum no era més que un fenomen electromagnètic i que seria un èter, encara que les seves longituds d'ona eren diferents, ja que aquests dos fenòmens eren en realitat iguals.

En aquesta època el problema de la naturalesa de les ones electromagnètiques es va posar de manifest: les ones electromagnètiques es consideraven com una ona mecànica que vibra en un sòlid semirrígido (l'èter), o, encara que no conegués en profunditat el seu significat final, la naturalesa de la llum podia expressar-se mitjançant l'electricitat i el magnetisme. Maxwell es va mostrar partidari del seu èter lumínic, que, al seu judici, a més de portar llum, requeriria altres requisits elèctrics.

A Anglaterra van acceptar les conseqüències de Maxwell, però a Europa van passar gairebé sense adonar-se fins a 1887. Aquest any Heinrich Hertz, per mitjà de les espurnes d'un corrent oscil·lant de bobina inductora, va crear en l'espai aquestes ones electromagnètiques, encara merament teòriques. I demostrar experimentalment que es complien moltes de les particularitats de les ones electromagnètiques anteriorment citades. Per tant, l'èter, si existia, estaria ple d'ones electromagnètiques, però aquestes ones també es propagaven en l'espai buit, per la qual cosa l'existència d'aquest èter va partir de la negació de la seva existència.

La teoria de Maxwell, incloses les seves equacions, donava una visió circular de les ones electromagnètiques i, al costat d'aquestes, de l'electricitat i el magnetisme, però no expressava bé la causa de les diferents càrregues elèctriques que s'utilitzaven en aquella època per a expressar els experiments electrolítics realitzats per Faraday. El concepte de càrrega elèctrica (és a dir, de càrrega atòmica) després de la mort de Maxwell tindria una gran importància. Es va arrodonir tota la teoria.

Anàlisi Espectral

Durant l'Antiguitat i l'Edat mitjana, la distinció entre els cossos terrestres i celestes era clara, però Galileu i Newton van abandonar aquesta distinció. Dos científics van descobrir experimentalment i van demostrar matemàticament les lleis mecàniques que regeixen els moviments dels cossos del Sistema Solar, les caigudes lliures sobre la terra i la resta dels moviments. Per a fer visible la igualtat entre els cossos terrestres i celestes, a més de demostrar que la seva estructura i composició eren iguals, és a dir, els elements que formen els cossos terrestres i els que intervenen en la composició del Sol, el planeta i les estrelles. XIX. A mitjan segle XX es va donar sortida a aquest problema.

Newton va demostrar en el seu moment que en passar els raigs del Sol per un prisma de vidre es descomponien en alguns colors. En 1802 Wollaston va descobrir l'existència de diverses línies fosques en aquest espectre de la llum solar; després, en 1814, després que Joseph Fraunhofer tornés a utilitzar aquestes línies, amb més d'un prisma va augmentar la dispersió i va revisar i va estudiar detalladament les línies exposades.

D'altra banda, en el seu moment, el XVIII. A mitjan segle XX, Melvil va descobrir per primera vegada que en la llum de la flama d'un foc contaminat amb metalls o sals apareixien en el fons fosc unes línies especials de color brillant i en 1823 Herchel va proposar el camí invers, és a dir, que aquestes línies indicaven la presència de metalls. Això va provocar un munt d'observacions en les quals l'objectiu era visualitzar i identificar les línies espectrals dels diferents elements.

En 1855 David Alter va descobrir els espectres de l'hidrogen i altres gasos. Entre 1855 i 1863 Von Bunsen va realitzar diversos experiments per a veure la influència química de la llum i en 1859, juntament amb Kirchhoff, va inventar els primers mètodes precisos per a l'anàlisi de l'espectre. A través d'ells es podia comprovar l'existència o no d'elements químics. Així es van descobrir dos nous elements: la cessió i el rubidi.

Von Bunsen i Krichhoff van seguir endavant i van fer passar la llum procedent de la sorra vermella, que tenia un espectre continu, per una flama d'alcohol amb sal comuna i van veure les línies descobertes per Fraunhofer en la llum solar. Van tornar a fer l'experiment, però en lloc d'utilitzar la sal van utilitzar el liti i van veure que apareixia una línia fosca que no apareixia en l'espectre solar. En conseqüència, va quedar demostrat que el liti no està present malgrat la presència de sodi en l'atmosfera del Sol. D'aquí va sorgir l'astronomia espectroscòpica, a la qual va seguir el desenvolupament d'aquesta nova branca de la Física.

En 1878 Lockyer va descobrir en la part verda de l'espectre del Sol una línia fosca que no es corresponia amb les línies de cap element conegut i que, per tant, en el Sol generava algun element desconegut. A aquest suposat element li va dir "heli". En 1895 Ramsay va descobrir aquest element en un mineral anomenat “pecholenda”.

Durant aquest temps es va demostrar físicament que la llum i la calor de la radiació són idèntics. En 1800 Herschel va descobrir que el termòmetre situat per sota del límit inferior del vermell de l'espectre solar rebia efectes calorífics. Una mica més tard Ritter va descobrir un altre punt més enllà del límit superior del morat invisible. Es va comprovar que la calor de la radiació que no es veu entre 1830-40, igual que la llum, conté reflexió, refracció, polarització i interferència. Alguns físics van acceptar l'equivalència entre les emissions i les capacitats de la ingestió: com un cos negre ingereix tota la radiació, perquè una vegada escalfat emet radiacions de totes les longituds d'ona.

Maxwell havia demostrat teòricament que la radiació ha de pressionar en colpejar-se contra una superfície, i després s'ha demostrat experimentalment que aquesta pressió, encara que molt petita, existeix. En 1875 Bartoli va dir que per aquesta pressió podem considerar l'espai ple de radiació com el cilindre d'una màquina termodinàmica teòrica. En 1884 Ludwig Boltzmann va demostrar teòricament que la radiació total d'un cos negre depèn de la quarta potència de la temperatura absoluta, després Stefan va comprovar experimentalment que aquesta llei era correcta. Aquesta conclusió permet afirmar que les temperatures del Sol i de les estrelles també poden mesurar-se a través de l'energia calorífica que radien.