Física XIX. En el siglo XX (y III)

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

• Biologia

Termodinámica

En 1824 el francés Sadi Carnot afirmó que todas las máquinas térmicas necesitan un cuerpo caliente o cualquier fuente de calor y otro cuerpo frío o condensador, y que al trabajar la máquina el calor pasaba continuamente del cuerpo caliente al cuerpo frío. Carnot dejó escrita la idea de conservación de la energía. Sin embargo, a lo largo de los años su trabajo no se entendió bien porque lo pusieron en el terreno calórico. Según esto, se admitía que el calor pasaba por la máquina sin variar el número y que el trabajo se obtenía por la disminución de la temperatura, como cuando el agua pasa por una turbina.

Carnot observó que para estudiar las leyes de las máquinas térmicas había que partir del caso más simple, es decir, que había que investigar sobre un ciclo de máquinas sin ningún tipo de fricción y sin pérdidas de calor, y que la sustancia utilizada (vapor, aire comprimido o cualquier otra), tras pasar por diferentes situaciones, debía pasar a su estado inicial. Parte del trabajo realizado de otra manera podía provenir de la energía interna de la sustancia, por lo que el trabajo realizado no sería totalmente debido a la causa del calor pasado por la máquina.

Clausius y Thomson dieron a la teoría de los ciclos de Carnot el aspecto que conocemos hoy en día. Por otra parte, los trabajos realizados por Joule permitieron conocer la equivalencia entre calor y trabajo. Y que una puede convertirse en otra o viceversa. Sin embargo, enseguida se dieron cuenta de que aunque un número fijo de tareas puede convertirse en calor total, en el proceso inverso no se alcanza el 100%. Vieron que sólo una parte del calor utilizado tanto en máquinas de vapor como en otras térmicas era transformado en trabajo, sin que la otra parte fuera necesariamente convertida en calor.

En base a esta idea y obra, Thomson, que luego sería el lord Kelvin, inventó la escala de temperaturas natural o absoluta que lleva su nombre en la actualidad, la de grados Kelvin. Antes, a través de un ensayo realizado por Meyer, Joule convirtió el trabajo en calor utilizando la compresión del aire. Pero Joule, de paso, también llegó a la conclusión de que el aire, al dejarlo dilatar sin trabajar, no sufría cambios de temperatura.

Todos estos pasos dados en la termodinámica tuvieron algunas consecuencias, por un lado, dotaron de unas bases sólidas para el desarrollo de máquinas térmicas y, por otro, impulsaron y canalizaron fuertemente el avance de la física y la química en diferentes direcciones. Faraday transformó el cloro en líquido mediante un finísimo instrumento, al igual que otros investigadores lograron que todos los gases fueran licuados. Así, quedó demostrado que todas las materias pueden aparecer en tres situaciones. En 1898 Dewar consiguió licuar el hidrógeno. El termo que utilizamos actualmente para mantener las bebidas calientes procede de envases de vidrio con cámara de vacío ideada por Dewar para sus ensayos.

Para poder trabajar eficazmente mediante el calor es necesario un salto de temperatura. Tanto si se elimina la diferencia de temperatura, como si el calor se transmite por conducción, convección o radiación en la Naturaleza, por lo que al producirse cambios en el sistema aislado en un solo sentido, su capacidad es menor, por lo que la función matemática que Clausius definió como "entropía" es cada vez mayor. Cuando la capacidad de trabajo de la energía calorífica alcanza su límite mínimo, la entropía alcanza su máximo, lo que permite obtener condiciones de equilibrio del sistema. En la construcción de la teoría del equilibrio físico y químico este siglo, junto con Clausius y Thomson, tenemos a Holmholtz, Gibbs y Nernst.

La primera ley de la termodinámica reivindica la conservación de la energía. El segundo nos dice que la tendencia energética es cada vez más degradada. Con estas dos ideas y extendiéndolas a todo el universo, se pretendía deducir que la energía del cosmos se está convirtiendo constantemente en calor, que a medida que los saltos de temperatura eran más pequeños, se iba haciendo cada vez más difícil. Por eso XIX. Los físicos del siglo XX anunciaron que en el futuro, después de transformar toda la energía del universo en calor y expandirla uniformemente, no podría llevarse a cabo ninguna otra modificación. Sin embargo, esto significa, entre otras cosas, que las normas observadas en un ámbito limitado son aplicables a otro más complejo. Pero todo esto nos lleva a otro campo del conocimiento.

Teoría de la luz

XIX. Otra teoría antigua que resucitó a principios del siglo XX fue la teoría ondulatoria de la luz. XVII. En el siglo XVIII Hooke y otros lo defendieron de alguna manera y Huygens lo propuso con mayor precisión, pero su oposición a Newton y su opinión sobre el tema era de gran peso, por lo que la propuesta de Huygens no fue considerada. Newton tenía dos razones para dejar de lado la teoría de ondas de la luz: por un lado, no representaba bien el fenómeno de las sombras, ya que si la luz fuera una onda como la que hace cualquier onda (por ejemplo el sonido), envolvería los cuerpos opacos y, por otro, no se representaban las ondas que vibran en su dirección de propagación en el fenómeno de la doble refracción observada en el espato de Islandia. Estas dificultades fueron resueltas por Young (1773-1829) y Fresnel (1788-1827) dando a la teoría ondulatoria su aspecto actual.

Young hizo pasar la luz blanca a través de dos orificios realizados con una aguja en una pantalla y miró lo expuesto sobre otra pantalla que había detrás. En los puntos en los que coincidían los rayos de los dos orificios de la segunda pantalla, se observó periódicamente una gran cantidad de bandas oscuras y de color brillante, provocadas por las interferencias de las ondas análogas de los dos haces de luz. Cuando una onda llegaba a la pantalla tenía un desfase medio de la longitud de onda respecto a la otra, apareciendo el oscuro que unía la punta de una con el fondo de la otra, mientras que cuando las cumbres de ambas coincidía, la intensidad de la luz se duplicaba y aparecían colores brillantes. Sustituyendo la luz blanca compuesta por una luz de un solo color (frecuencia), en lugar de las bandas coloreadas aparecen alternativamente el brillo y la oscuridad de ese color.

Las dimensiones del aparato y la anchura de las bandas demostraron que se pueden encontrar longitudes de onda de distintos colores. Se calcula que las longitudes de onda eran muy cortas, de dos milésimas por milímetro, y que las medidas de los obstáculos que la luz encuentra en su camino eran muy elevadas respecto a su longitud de onda. Por ello, la luz se propaga en línea recta y el fenómeno que aparece al rodear un obstáculo, hoy conocido como difracción, es muy pequeño.

La segunda dificultad de Newton fue resuelta por Fresnel. Hooke planteó la hipótesis de que las vibraciones que en su día forman la luz se propagaban en la dirección de los rayos. Fresnel asumió esta hipótesis y pudo expresar claramente el fenómeno de la doble refracción que se presentaba en el espato islandés.

Fresnel desarrolló matemáticamente la teoría de ondas de la luz con mayor precisión. En realidad, y tras reconocer que algunos problemas todavía estaban pendientes, se puede afirmar que, en general, su teoría se ajustaba a los fenómenos observados. El propio Fresnel y sus seguidores XIX. En el siglo XVIII se completó y redondeó la teoría de ondas clásica de la luz.

Pero si la luz es la onda, es decir, si se trata de un movimiento ondulatorio mecánico, es necesario un medio material para su propagación, pero mientras no se conocía, se propuso y aceptó la ayuda del "éter" para ocupar su lugar. Debido a las particularidades de las ondas luminosas, las características requeridas por este medio no se presentan en líquidos o gases, sino en sólidos, por lo que no se veía que aquel éter debía ser rígido. Paralelamente, se inició una extensa teoría de la solidez elástica del éter. Por otra parte, la luz provenía del Sol a través del éter y dentro de ese éter rígido los planetas se movían sin ningún tipo de impedimento: ¿cómo se podía? XIX. En la primera mitad del siglo XX era un gran reto para los físicos. Para poner todo esto en común se propuso también la existencia de éteres girostáticos, pero la declaración procede de otra manera: de que el éter no se necesita.

Para ello Faraday tuvo que demostrar que en el espacio, en el vacío, se producían fenómenos electromagnéticos. Después Clerk Maxwell (1831-1879) comprobó que la luz era sólo un tipo de ondas electromagnéticas, con lo que la resistencia de este éter se derrumbó. El primer capítulo de lo que hoy se conoce como "física de campo" es la teoría ondulatoria de la luz; el segundo, Faraday y Maxwell escribieron la teoría combinando la luz con el electromagnetismo; el tercero, la teoría de la gravitación para representar geométricamente la gravitación de Einstein, pero ésta es totalmente ajena al marco temporal de estas líneas.

Ondas eléctricas

En la prosperidad del resultado obtenido por Faraday podemos ver su increíble intuición. Cuando una corriente eléctrica desvía la aguja magnética en el espacio o hace aparecer la fuerza electromotriz en otro circuito, debemos pensar que hay "acción remota" sin expresión o "algo" que actúa como medio de transporte en el espacio intermedio. Faraday siguió el segundo camino y inventó el concepto de las líneas de fuerza, que salían de unos puntos y iban a otros puntos y así pudo dibujar esa influencia.

Maxwell puso a las ideas de Faraday una indumentaria matemática sabiendo que la corriente eléctrica generaba un campo magnético en el que la fuerza magnética era perpendicular a la corriente y, teniendo en cuenta que los cambios en el campo magnético generaban fuerza electromotriz, quedó totalmente claro que las fuerzas eléctricas y magnéticas estaban completamente unidas. Por ello, cuando se propaga la modificación de la polarización dieléctrica en un medio aislante, se propaga como una onda electromagnética. En esta expansión las fuerzas magnéticas y eléctricas van perpendiculares unas a otras en el plano del frente de onda de la expansión. Maxwell descubrió las ecuaciones diferenciales que conducen estas ondas. Según estos, la velocidad de las ondas dependía de las características magnéticas y eléctricas del medio.

El propio Maxwell y otros físicos calcularon la velocidad de estas ondas. Se descubrió que era de unos 30.000 kilómetros por segundo, como la velocidad de la luz. Maxwell concluyó que la luz no era más que un fenómeno electromagnético y que sería un éter, aunque sus longitudes de onda eran diferentes, ya que estos dos fenómenos eran en realidad iguales.

En esta época el problema de la naturaleza de las ondas electromagnéticas se puso de manifiesto: las ondas electromagnéticas se consideraban como una onda mecánica que vibra en un sólido semirrígido (el éter), o, aunque no conociera en profundidad su significado final, la naturaleza de la luz podía expresarse mediante la electricidad y el magnetismo. Maxwell se mostró partidario de su éter lumínico, que, a su juicio, además de llevar luz, requeriría otros requisitos eléctricos.

En Inglaterra aceptaron las consecuencias de Maxwell, pero en Europa pasaron casi sin darse cuenta hasta 1887. Ese año Heinrich Hertz, por medio de las chispas de una corriente oscilante de bobina inductora, creó en el espacio esas ondas electromagnéticas, todavía meramente teóricas. Y demostrar experimentalmente que se cumplían muchas de las particularidades de las ondas electromagnéticas anteriormente citadas. Por lo tanto, el éter, si existía, estaría lleno de ondas electromagnéticas, pero estas ondas también se propagaban en el espacio vacío, por lo que la existencia de ese éter partió de la negación de su existencia.

La teoría de Maxwell, incluidas sus ecuaciones, daba una visión circular de las ondas electromagnéticas y, junto a éstas, de la electricidad y el magnetismo, pero no expresaba bien la causa de las diferentes cargas eléctricas que se utilizaban en aquella época para expresar los experimentos electrolíticos realizados por Faraday. El concepto de carga eléctrica (es decir, de carga atómica) tras la muerte de Maxwell tendría una gran importancia. Se redondeó toda la teoría.

Análisis Espectral

Durante la Antigüedad y la Edad Media, la distinción entre los cuerpos terrestres y celestes era clara, pero Galileo y Newton abandonaron esta distinción. Dos científicos descubrieron experimentalmente y demostraron matemáticamente las leyes mecánicas que rigen los movimientos de los cuerpos del Sistema Solar, las caídas libres sobre la tierra y el resto de los movimientos. Para hacer visible la igualdad entre los cuerpos terrestres y celestes, además de demostrar que su estructura y composición eran iguales, es decir, los elementos que forman los cuerpos terrestres y los que intervienen en la composición del Sol, el planeta y las estrellas. XIX. A mediados del siglo XX se dio salida a este problema.

Newton demostró en su día que al pasar los rayos del Sol por un prisma de vidrio se descomponían en algunos colores. En 1802 Wollaston descubrió la existencia de varias líneas oscuras en ese espectro de la luz solar; después, en 1814, después de que Joseph Fraunhofer volviera a utilizar dichas líneas, con más de un prisma aumentó la dispersión y revisó y estudió en detalle las líneas expuestas.

Por otra parte, en su día, el XVIII. A mediados del siglo XX, Melvil descubrió por primera vez que en la luz de la llama de un fuego contaminado con metales o sales aparecían en el fondo oscuro unas líneas especiales de color brillante y en 1823 Herchel propuso el camino inverso, es decir, que esas líneas indicaban la presencia de metales. Esto provocó un montón de observaciones en las que el objetivo era visualizar e identificar las líneas espectrales de los diferentes elementos.

En 1855 David Alter descubrió los espectros del hidrógeno y otros gases. Entre 1855 y 1863 Von Bunsen realizó varios experimentos para ver la influencia química de la luz y en 1859, junto con Kirchhoff, inventó los primeros métodos precisos para el análisis del espectro. A través de ellos se podía comprobar la existencia o no de elementos químicos. Así se descubrieron dos nuevos elementos: la cesión y el rubidio.

Von Bunsen y Krichhoff siguieron adelante y hicieron pasar la luz procedente de la arena roja, que tenía un espectro continuo, por una llama de alcohol con sal común y vieron las líneas descubiertas por Fraunhofer en la luz solar. Volvieron a hacer el experimento, pero en lugar de utilizar la sal utilizaron el litio y vieron que aparecía una línea oscura que no aparecía en el espectro solar. En consecuencia, quedó demostrado que el litio no está presente a pesar de la presencia de sodio en la atmósfera del Sol. De ahí surgió la astronomía espectroscópica, a la que siguió el desarrollo de esta nueva rama de la Física.

En 1878 Lockyer descubrió en la parte verde del espectro del Sol una línea oscura que no se correspondía con las líneas de ningún elemento conocido y que, por lo tanto, en el Sol generaba algún elemento desconocido. A este supuesto elemento le llamó "helio". En 1895 Ramsay descubrió este elemento en un mineral llamado “pecholenda”.

Durante este tiempo se demostró físicamente que la luz y el calor de la radiación son idénticos. En 1800 Herschel descubrió que el termómetro situado por debajo del límite inferior del rojo del espectro solar recibía efectos caloríficos. Un poco más tarde Ritter descubrió otro tanto más allá del límite superior del morado invisible. Se comprobó que el calor de la radiación que no se ve entre 1830-40, al igual que la luz, contiene reflexión, refracción, polarización e interferencia. Algunos físicos aceptaron la equivalencia entre las emisiones y las capacidades de la ingestión: como un cuerpo negro ingiere toda la radiación, porque una vez calentado emite radiaciones de todas las longitudes de onda.

Maxwell había demostrado teóricamente que la radiación debe presionar al golpearse contra una superficie, y luego se ha demostrado experimentalmente que esa presión, aunque muy pequeña, existe. En 1875 Bartoli dijo que por esta presión podemos considerar el espacio lleno de radiación como el cilindro de una máquina termodinámica teórica. En 1884 Ludwig Boltzmann demostró teóricamente que la radiación total de un cuerpo negro depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta, después Stefan comprobó experimentalmente que esta ley era correcta. Esta conclusión permite afirmar que las temperaturas del Sol y de las estrellas también pueden medirse a través de la energía calorífica que radian.