Física XIX. No século XX (e III)

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

• Biologia

Termodinámica

En 1824 o francés Sadi Carnot afirmou que todas as máquinas térmicas necesitan un corpo quente ou calquera fonte de calor e outro corpo frío ou condensador, e que ao traballar a máquina a calor pasaba continuamente do corpo quente ao corpo frío. Carnot deixou escrita a idea de conservación da enerxía. Con todo, ao longo dos anos o seu traballo non se entendeu ben porque o puxeron no terreo calórico. Segundo isto, admitíase que a calor pasaba pola máquina sen variar o número e que o traballo se obtiña pola diminución da temperatura, como cando a auga pasa por unha turbina.

Carnot observou que paira estudar as leis das máquinas térmicas había que partir do caso máis simple, é dicir, que había que investigar sobre un ciclo de máquinas sen ningún tipo de fricción e sen perdas de calor, e que a sustancia utilizada (vapor, aire comprimido ou calquera outra), tras pasar por diferentes situacións, debía pasar ao seu estado inicial. Parte do traballo realizado doutra maneira podía provir da enerxía interna da sustancia, polo que o traballo realizado non sería totalmente debido á causa da calor pasada pola máquina.

Clausius e Thomson deron á teoría dos ciclos de Carnot o aspecto que coñecemos hoxe en día. Por outra banda, os traballos realizados por Joule permitiron coñecer a equivalencia entre calor e traballo. E que una pode converterse noutra ou viceversa. Con todo, enseguida déronse conta de que aínda que un número fixo de tarefas pode converterse en calor total, no proceso inverso non se alcanza o 100%. Viron que só una parte da calor utilizada tanto en máquinas de vapor como noutras térmicas era transformado en traballo, sen que a outra parte fose necesariamente convertida en calor.

En base a esta idea e obra, Thomson, que logo sería o lord Kelvin, inventou a escala de temperaturas natural ou absoluta que leva o seu nome na actualidade, a de graos Kelvin. Antes, a través dun ensaio realizado por Meyer, Joule converteu o traballo en calor utilizando a compresión do aire. Pero Joule, de paso, tamén chegou á conclusión de que o aire, ao deixalo dilatar sen traballar, non sufría cambios de temperatura.

Todos estes pasos dados na termodinámica tiveron algunhas consecuencias, por unha banda, dotaron dunhas bases sólidas paira o desenvolvemento de máquinas térmicas e, por outro, impulsaron e canalizaron fortemente o avance da física e a química en diferentes direccións. Faraday transformou o cloro en líquido mediante un finísimo instrumento, do mesmo xeito que outros investigadores lograron que todos os gases fosen licuados. Así, quedou demostrado que todas as materias poden aparecer en tres situacións. En 1898 Dewar conseguiu licuar o hidróxeno. O termo que utilizamos actualmente paira manter as bebidas quentes procede de envases de vidro con cámara sen carga ideada por Dewar paira os seus ensaios.

Paira poder traballar eficazmente mediante a calor é necesario un salto de temperatura. Tanto si elimínase a diferenza de temperatura, coma se a calor transmítese por condución, convección ou radiación na Natureza, polo que ao producirse cambios no sistema illado nun só sentido, a súa capacidade é menor, polo que a función matemática que Clausius definiu como "entropía" é cada vez maior. Cando a capacidade de traballo da enerxía calorífica alcanza o seu límite mínimo, a entropía alcanza o seu máximo, o que permite obter condicións de equilibrio do sistema. Na construción da teoría do equilibrio físico e químico este século, xunto con Clausius e Thomson, temos a Holmholtz, Gibbs e Nernst.

A primeira lei da termodinámica reivindica a conservación da enerxía. O segundo dinos que a tendencia enerxética é cada vez máis degradada. Con estas dúas ideas e estendéndoas a todo o universo, pretendíase deducir que a enerxía do cosmos está a converterse constantemente en calor, que a medida que os saltos de temperatura eran máis pequenos, íase facendo cada vez máis difícil. Por iso XIX. Os físicos do século XX anunciaron que no futuro, despois de transformar toda a enerxía do universo en calor e expandila uniformemente, non podería levar a cabo ningunha outra modificación. Con todo, isto significa, entre outras cousas, que as normas observadas nun ámbito limitado son aplicables a outro máis complexo. Pero todo isto lévanos a outro campo do coñecemento.

Teoría da luz

XIX. Outra teoría antiga que resucitou a principios do século XX foi a teoría ondulatoria da luz. XVII. No século XVIII Hooke e outros o defenderon dalgunha maneira e Huygens propúxoo con maior precisión, pero a súa oposición a Newton e a súa opinión sobre o tema era de gran peso, polo que a proposta de Huygens non foi considerada. Newton tiña dúas razóns paira deixar de lado a teoría de ondas da luz: por unha banda, non representaba ben o fenómeno das sombras, xa que se a luz fose una onda como a que fai calquera onda (por exemplo o son), envolvería os corpos opacos e, por outro, non se representaban as ondas que vibran na súa dirección de propagación no fenómeno do dobre refracción observada no espato de Islandia. Estas dificultades foron resoltas por Young (1773-1829) e Fresnel (1788-1827) dando á teoría ondulatoria o seu aspecto actual.

Young fixo pasar a luz branca a través de dous orificios realizados cunha agulla nunha pantalla e mirou o exposto sobre outra pantalla que había detrás. Nos puntos nos que coincidían os raios dos dous orificios da segunda pantalla, observouse periodicamente una gran cantidade de bandas escuras e de cor brillante, provocadas polas interferencias das ondas análogas dos dous feixes de luz. Cando una onda chegaba á pantalla tiña un desfasamento medio da lonxitude de onda respecto da outra, aparecendo o escuro que unía a punta dunha co fondo da outra, mentres que cando os cumes de ambas coincidía, a intensidade da luz duplicábase e aparecían cores brillantes. Substituíndo a luz branca composta por unha luz dunha soa cor (frecuencia), en lugar das bandas coloreadas aparecen alternativamente o brillo e a escuridade desa cor.

As dimensións do aparello e a anchura das bandas demostraron que se poden atopar lonxitudes de onda de distintas cores. Calcúlase que as lonxitudes de onda eran moi curtas, de dúas milésimas por milímetro, e que as medidas dos obstáculos que a luz atopa no seu camiño eran moi elevadas respecto da súa lonxitude de onda. Por iso, a luz propágase en liña recta e o fenómeno que aparece ao rodear un obstáculo, hoxe coñecido como difracción, é moi pequeno.

A segunda dificultade de Newton foi resolta por Fresnel. Hooke expuxo a hipótese de que as vibracións que no seu día forman a luz propagábanse na dirección dos raios. Fresnel asumiu esta hipótese e puido expresar claramente o fenómeno do dobre refracción que se presentaba no espato islandés.

Fresnel desenvolveu matematicamente a teoría de ondas da luz con maior precisión. En realidade, e tras recoñecer que algúns problemas aínda estaban pendentes, pódese afirmar que, en xeral, a súa teoría axustábase aos fenómenos observados. O propio Fresnel e os seus seguidores XIX. No século XVIII completouse e redondeou a teoría de ondas clásica da luz.

Pero se a luz é a onda, é dicir, se se trata dun movemento ondulatorio mecánico, é necesario un medio material paira a súa propagación, pero mentres non se coñecía, propúxose e aceptou a axuda do "éter" paira ocupar o seu lugar. Debido ás particularidades das ondas luminosas, as características requiridas por este medio non se presentan en líquidos ou gases, senón en sólidos, polo que non se vía que aquel éter debía ser ríxido. Paralelamente, iniciouse una extensa teoría da solidez elástica do éter. Por outra banda, a luz proviña do Sol a través do éter e dentro dese éter ríxido os planetas movíanse sen ningún tipo de impedimento: como se podía? XIX. Na primeira metade do século XX era un gran reto paira os físicos. Paira pór todo isto en común propúxose tamén a existencia de éteres girostáticos, pero a declaración procede doutra maneira: de que o éter non se necesita.

Paira iso Faraday tivo que demostrar que no espazo, no baleiro, producíanse fenómenos electromagnéticos. Despois Clerk Maxwell (1831-1879) comprobou que a luz era só un tipo de ondas electromagnéticas, co que a resistencia de leste éter derrubouse. O primeiro capítulo do que hoxe se coñece como "física de campo" é a teoría ondulatoria da luz; o segundo, Faraday e Maxwell escribiron a teoría combinando a luz co electromagnetismo; o terceiro, a teoría da gravitación paira representar geométricamente a gravitación de Einstein, pero esta é totalmente allea ao marco temporal destas liñas.

Ondas eléctricas

Na prosperidade do resultado obtido por Faraday podemos ver a súa incrible intuición. Cando una corrente eléctrica desvía a agulla magnética no espazo ou fai aparecer a forza electromotriz noutro circuíto, debemos pensar que hai "acción remota" sen expresión ou "algo" que actúa como medio de transporte no espazo intermedio. Faraday seguiu o segundo camiño e inventou o concepto das liñas de forza, que saían duns puntos e ían a outros puntos e así puido debuxar esa influencia.

Maxwell puxo ás ideas de Faraday una indumentaria matemática sabendo que a corrente eléctrica xeraba un campo magnético no que a forza magnética era perpendicular á corrente e, tendo en conta que os cambios no campo magnético xeraban forza electromotriz, quedou totalmente claro que as forzas eléctricas e magnéticas estaban completamente unidas. Por iso, cando se propaga a modificación da polarización dieléctrica nun medio illante, propágase como una onda electromagnética. Nesta expansión as forzas magnéticas e eléctricas van perpendiculares unas a outras no plano da fronte de onda da expansión. Maxwell descubriu as ecuacións diferenciais que conducen estas ondas. Segundo estes, a velocidade das ondas dependía das características magnéticas e eléctricas do medio.

O propio Maxwell e outros físicos calcularon a velocidade destas ondas. Descubriuse que era duns 30.000 quilómetros por segundo, como a velocidade da luz. Maxwell concluíu que a luz non era máis que un fenómeno electromagnético e que sería un éter, aínda que as súas lonxitudes de onda eran diferentes, xa que estes dous fenómenos eran en realidade iguais.

Nesta época o problema da natureza das ondas electromagnéticas púxose de manifesto: as ondas electromagnéticas considerábanse como una onda mecánica que vibra nun sólido semirrígido (o éter), ou, aínda que non coñecese en profundidade o seu significado final, a natureza da luz podía expresarse mediante a electricidade e o magnetismo. Maxwell mostrouse partidario do seu éter lumínico, que, ao seu xuízo, ademais de levar luz, requiriría outros requisitos eléctricos.

En Inglaterra aceptaron as consecuencias de Maxwell, pero en Europa pasaron case sen darse conta até 1887. Ese ano Heinrich Hertz, por medio das faíscas dunha corrente oscilante de bobina inductora, creou no espazo esas ondas electromagnéticas, aínda meramente teóricas. E demostrar experimentalmente que se cumprían moitas das particularidades das ondas electromagnéticas anteriormente citadas. Por tanto, o éter, se existía, estaría cheo de ondas electromagnéticas, pero estas ondas tamén se propagaban no espazo baleiro, polo que a existencia dese éter partiu da negación da súa existencia.

A teoría de Maxwell, incluídas as súas ecuacións, daba una visión circular das ondas electromagnéticas e, xunto a estas, da electricidade e o magnetismo, pero non expresaba ben a causa das diferentes cargas eléctricas que se utilizaban naquela época paira expresar os experimentos electrolíticos realizados por Faraday. O concepto de carga eléctrica (é dicir, de carga atómica) tras a morte de Maxwell tería una gran importancia. Redondeouse toda a teoría.

Análise Espectral

Durante a Antigüedad e a Idade Media, a distinción entre os corpos terrestres e celestes era clara, pero Galileo e Newton abandonaron esta distinción. Dous científicos descubriron experimentalmente e demostraron matematicamente as leis mecánicas que rexen os movementos dos corpos do Sistema Solar, as caídas libres sobre a terra e o resto dos movementos. Paira facer visible a igualdade entre os corpos terrestres e celestes, ademais de demostrar que a súa estrutura e composición eran iguais, é dicir, os elementos que forman os corpos terrestres e os que interveñen na composición do Sol, o planeta e as estrelas. XIX. A mediados do século XX deuse saída a este problema.

Newton demostrou no seu día que ao pasar os raios do Sol por un prisma de vidro descompúñanse nalgunhas cores. En 1802 Wollaston descubriu a existencia de varias liñas escuras nese espectro da luz solar; despois, en 1814, despois de que Joseph Fraunhofer volvese utilizar ditas liñas, con máis dun prisma aumentou a dispersión e revisou e estudou en detalle as liñas expostas.

Por outra banda, no seu día, o XVIII. A mediados do século XX, Melvil descubriu por primeira vez que na luz da chama dun lume contaminado con metais ou salgues aparecían no fondo escuro unhas liñas especiais de cor brillante e en 1823 Herchel propuxo o camiño inverso, é dicir, que esas liñas indicaban a presenza de metais. Isto provocou unha chea de observacións nas que o obxectivo era visualizar e identificar as liñas espectrales dos diferentes elementos.

En 1855 David Alter descubriu os espectros do hidróxeno e outros gases. Entre 1855 e 1863 Von Bunsen realizou varios experimentos paira ver a influencia química da luz e en 1859, xunto con Kirchhoff, inventou os primeiros métodos precisos paira a análise do espectro. A través deles podíase comprobar a existencia ou non de elementos químicos. Así se descubriron dous novos elementos: a cesión e o rubidio.

Von Bunsen e Krichhoff seguiron adiante e fixeron pasar a luz procedente da area vermella, que tiña un espectro continuo, por unha chama de alcol con sal común e viron as liñas descubertas por Fraunhofer na luz solar. Volveron facer o experimento, pero en lugar de utilizar o sal utilizaron o litio e viron que aparecía una liña escura que non aparecía no espectro solar. En consecuencia, quedou demostrado que o litio non está presente a pesar da presenza de sodio na atmosfera do Sol. De aí xurdiu a astronomía espectroscópica, á que seguiu o desenvolvemento desta nova rama da Física.

En 1878 Lockyer descubriu na parte verde do espectro do Sol una liña escura que non se correspondía coas liñas de ningún elemento coñecido e que, por tanto, no Sol xeraba algún elemento descoñecido. A este suposto elemento chamoulle "helio". En 1895 Ramsay descubriu este elemento nun mineral chamado “pecholenda”.

Durante este tempo demostrouse fisicamente que a luz e a calor da radiación son idénticos. En 1800 Herschel descubriu que o termómetro situado por baixo do límite inferior do vermello do espectro solar recibía efectos caloríficos. Un pouco máis tarde Ritter descubriu outro tanto máis aló do límite superior do morado invisible. Comprobouse que a calor da radiación que non se ve entre 1830-40, do mesmo xeito que a luz, contén reflexión, refracción, polarización e interferencia. Algúns físicos aceptaron a equivalencia entre as emisións e as capacidades da inxestión: como un corpo negro inxere toda a radiación, porque una vez quentado emite radiacións de todas as lonxitudes de onda.

Maxwell demostrara teoricamente que a radiación debe presionar ao golpearse contra unha superficie, e logo demostrouse experimentalmente que esa presión, aínda que moi pequena, existe. En 1875 Bartoli dixo que por esta presión podemos considerar o espazo cheo de radiación como o cilindro dunha máquina termodinámica teórica. En 1884 Ludwig Boltzmann demostrou teoricamente que a radiación total dun corpo negro depende da cuarta potencia da temperatura absoluta, despois Stefan comprobou experimentalmente que esta lei era correcta. Esta conclusión permite afirmar que as temperaturas do Sol e das estrelas tamén poden medirse a través da enerxía calorífica que radian.