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El siglo XIX asistirá a la progresivapuesta en práctica de los hallazgos dela ciencia y los experimentos, con dos

extensos grupos de aplicaciones: el de laelectricidad y el del calor. Y al mismotiempo tienen lugar dos grandes síntesiscientíficas: primero la del calor y la ener-gía, que darán lugar a la ciencia de la ter-modinámica, y después la de la electrici-dad, el magnetismo y la luz, que hallaránexplicación conjunta con la teoría elec-tromagnética.

Ambas novedades iniciarán la deca-dencia de la teoría newtoniana, de inter-pretación mecánica del universo y la na-turaleza, ya que se encontrará con que nopuede explicarlo todo. Habrá que esperar,no obstante, a que la década de 1880 im-prima los cambios que serán ya irreversi-bles en la física, una vez que la etapa clá-sica alcance el más alto grado depositivismo, es decir, de elevación de locomprobable a la máxima categoría delconocimiento y, además, de la generali-zación de la interpretación mecánica dela realidad (incluso la biológica).

INVESTIGADORES DEL CALOR

En los inicios modernos de los gran-des interrogantes sobre el calor y sus cir-cunstancias aparece el conde Rumford(1753-1814), un americano-alemán untanto excéntrico que, pese a que la teoríageneralmente aceptada sobre el calor par-

tía de la existencia del calórico (“fluidomaterial imponderable e indestructi-ble”)1, pensó que el calor era una formade movimiento, según veía en sus traba-jos de fabricación y horadación de caño-nes. Humphry Davy y ThomasYoung, in-gleses, persistieron en la teoría mecánicacon variaciones, proponiendo el segundouna interpretación ondulatoria: el calorsería el resultado de una vibración de loscomponentes de los cuerpos.

Una vez más la evolución de la físicamuestra la concepción dual de los am-bientes británicos y franceses sobre unmismo fenómeno: mientras los ingenie-ros británicos se vuelcan en la perfecciónde la máquina de vapor y en la amplia-ción de su potencia y posibilidades (conel ejemplo más completo de Watt), los in-genieros franceses, procedentes de laPolytechnique (o enseñantes en ella) in-

sisten en penetrar en el conocimiento delfenómeno físico y en dar forma abstractaa sus observaciones. Este es el caso deJean Baptiste Fourier y de Sadi Carnot: elprimero elaboró una Teoría analítica delcalor (1822), que analizaba la conduc-ción del calor a través de sólidos y para laque creó sus famosas series matemáticas;el segundo fue más lejos, acometiendo ensus Reflexiones sobre la fuerza motriz delfuego (1824) las relaciones entre calor y movimiento. El jovencísimo Carnot(1796-1832) determinó, como principiogeneral de las máquinas de calor la nece-sidad de dos focos térmicos, uno calientey otro frío, y en su explicación recurría alsímil de la rueda hidráulica; joven y des-conocido, su temprana muerte hizo quesus manuscritos permanecieran ocultoshasta nada menos que 1878, siendo el in-geniero Clapeyron quien los recuperó ypublicó.

Las aportaciones alemanas a la teo-ría del calor partieron de su relación conla combustión y, más concretamente,con los procesos biológicos humanos.Así, Robert Mayer, que era médico,trasladó sus observaciones sobre loscambios fisiológicos en los marinos enlos trópicos, para relacionar el movi-miento muscular con la energía químicade la comida, siendo intercambiables yconvertibles el calor, la energía mecáni-ca y la energía química; y así calculó lacantidad de calor equivalente a una can-tidad dada de energía mecánica. Desdela misma perspectiva biológica, otro ale-

Avances y avalanchas del siglo XIX.

La termodinámica: ciencia delcalor y técnica del movimiento

Pedro Costa, Ingeniero Técnico de Telecomunicación, Profesor de la EUITT de Madrid

CIENCIA Y TECNOLOGIA

El alemán Clausius.

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mán, Hermann Helmholtz (1821-94),confirmó que la capacidad mecánica delos seres vivos proviene del alimentoque ingieren, y elevó a principio generalla equivalencia entre todas las formas deenergía, cuyo total se mantiene invaria-ble (1847)2.

Un papel excepcional en los avancesempíricos sobre el calor le correspondeal inglés James Joule (1818-89), en rea-lidad un científico aficionado cuyo em-peño era medir y cuantificar los fenóme-nos físicos. Se inició trabajando en laproducción térmica de una corrienteeléctrica, estableciendo la famosa ley deJoule (1840) y confirmando el principiode la conservación de la energía; perotambién midió exactamente el equiva-lente mecánico del calor: el trabajo ne-cesario para elevar la temperatura de unvolumen de agua. La Royal Society re-

chazó la publicación de los dos artículosen los que explicaba estos experimentos(cosa que achacó a la rivalidad entre losgentlemen de la ciencia londinense y losindustriales empiristas de Manchester(donde él ejercía de cervecero); pero enla reunión de 1847 de la British Asso-ciation William Thomson (1824-1907,el futuro Lord Kelvin) se fijó en la tras-cendencia de estos trabajos y en primerlugar destacó la diferencia entre estostrabajos y el de los ingenieros franceses:Joule demostraba la transformación en-tre movimiento y calor, así como su in-versa, lo que podía producir trabajo, yen Francia se seguía insistiendo en queel trabajo sólo dependía de la diferenciatérmica entre dos focos, siguiendo la es-tela de Carnot.

Kelvin creó la escala absoluta de tem-peratura (1854) demostrando que ésta se-

ría la correspondiente a los cambios detemperatura en una máquina de calor per-fecta, es decir, funcionando siempre conigual eficiencia. En 1849 empleó por pri-mera vez el término termodinámica paradenominar a la ciencia de las relacionescalor-trabajo y, paralelamente con el ale-mán Clausius (1822-88), él en Glasgow yéste en Berlín, formularon el principiogeneral de la intercambiabilidad y equi-valencia de la energía (el llamado Segun-do principio, o teorema, de la Termodiná-mica), el primero en 1850 y un añodespués el segundo; ambos reconocieronhaber seguido los trabajos de Carnot,Mayer y Joule. Clausius (profesor de físi-ca en Zurich y Bonn), por cierto, observóuna magnitud que permanecía constanteen un ciclo termodinámico en cualquiermáquina de calor, que llamó entropía(1865) y la evaluó como el cociente entre

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El Cristal Palace.

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la cantidad de calor que se cedía en esastransformaciones y la temperatura del fo-co refrigerador (Q/T): en definitiva, lacantidad de energía que ya no va a poderser transformada en otras formas de ener-gía. Esa entropía, por el contrario a losprocesos mecánico-energéticos, tendía aaumentar en los procesos naturales es-pontáneos, es decir, que podía establecer-se que “la entropía del mundo tiende a unmáximo”, lo que podría considerarse co-mo una expresión muy indicativa del se-gundo principio de la Termodinámica; elprimero, entonces, sería: “la energía delmundo es constante”.

A partir de Clausius recobra fuerzala teoría molecular de los gases y la in-terpretación de la energía calórica comola energía cinética de las moléculas enmovimiento, y James Maxwell (1831-79, otro de los portentosos científicosdel siglo) demostró que ese entrechocaraleatorio atribuiría una repartición irre-gular de calor entre esas moléculas dan-do lugar a fenómenos más o menos cu-riosos o inexplicables (a esto se le llamó“demonio de Maxwell”). Y teniendo encuenta este hecho Boltzmann relacionódespués (1877) la entropía de un gas conla distribución probabilística de la ener-gía en esas moléculas (que es otra de lasaproximaciones conceptuales de la en-tropía).

TERMODINÁMICATRASCENDENTE: EL PASODEL TIEMPO Y ELUNIVERSO-ENERGÍA

Los cambios sustanciales en la físicaclásica se inician en el campo maravillo-so de la energía, que desvela dos líneasabiertas de reflexión e investigación. Laprimera está directamente relacionadacon la degradación entrópica, que natu-ralmente ha de atribuirse a la fuente prin-cipal de energía en nuestro planeta, es de-cir, al sol; el sol y su radiación energéticatienden a un “apagamiento” y, en conse-cuencia, a su extinción inevitable con elpaso del tiempo (aun siendo lento e… in-finito). Las medidas que se hicieron de latasa de enfriamiento de la tierra –Kelvinfue uno de los que acometieron esta ta-rea– arrojaba una información nueva so-bre, concretamente, la edad del planetaTierra; y se estimó que esta edad era dealgunos decenas de millones de años.Eran momentos, sin embargo, en que losgeólogos iban definiendo su ciencia yampliando el conocimiento de la forma-ción de la tierra, y se tuvieron que corre-gir los cálculos elevándolos a varios cen-tenares de años3; el descubrimiento de laradiactividad a finales del siglo permitió

evaluar esa duración con más precisión,dando la razón a los geólogos.

El segundo gran ámbito de considera-ción afectaba a la propia filosofía de laciencia, ya que la termodinámica se revela-ba como una ciencia “no material”, es de-cir, que los procesos calórico-mecánicosno presuponían una naturaleza particularde la materia. En esta línea, Wilhelm Ost-wald (1853-1932), profesor en Leipzig, su-girió que los fenómenos de la naturalezaeran simplemente manifestaciones energé-ticas en todas sus variaciones, iniciando asíla que fue llamada escuela Energetik. Ost-wald opinaba que la totalidad de la natura-leza aparece como una serie de energíasespacial y temporalmente cambiantes, per-cibiéndolas en la forma y medida en queinciden en nuestro cuerpo, y especialmen-te sobre los órganos de los sentidos. Mayerse unió a esta actitud crítica aludiendo aque el equivalente mecánico del calor erasimplemente un número que relacionabafenómenos pero sin nada que ver con lateoría del calor ni con ninguna otra.

A esto se añadió la crítica de ErnstMach (1838-1916), científico austriacoque fue primero profesor de matemáticasen Gratz y luego de física en Praga y de fi-losofía en Viena (y otro de los espíritusuniversales de la época, como Helmholtzy algunos más), que condenó los excesosen física por emplear modelos mecánicosteóricos para la interpretación de los fenó-menos naturales. En la termodinámica, se-ñalaba, no hacen falta modelos interpreta-tivos ya que los fenómenos en presenciase observaban de forma directa; y por esodefendía que era la termodinámica, y no lamecánica, la que debería ser consideradael prototipo de todas las ciencias, punto devista que se ha llamado de la “física feno-menólogica”. (Mach se atrevió a contrade-cir a Newton, calificando la idea de queespacio y tiempo son absolutos como “re-sabios antropomórficos superados”. Eins-tein retomaría en parte sus ideas para la te-oría de la relatividad, y reformularía loque llamó Principio de Mach: “La masainercial no es una nota intrínseca de unmóvil sino una medida de su acoplamien-to con el resto del universo”).

Pero Mach nos es importante tambiénpor sus discípulos, de entre los que des-cuellan el químico Ostwald (que logró elNobel de Química en 1909 por sus traba-jos en catálisis) y el filósofo Wittgenstein.

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Y son importantes dentro de un amplioconjunto de científicos que en las últimasdécadas del siglo XIX y primeras del XXserán parte de toda una transformación–silenciosa, discreta– que va revisando losconceptos y las prácticas científicas, muyespecialmente en relación con la conser-vación de los recursos y ecosistemas, asícomo la actividad agraria. Y todo se debea la percepción de esa “maldición degra-dante” de la entropía omnipresente, que amodo de hecho físico radical pesa sobretodas los cambios energético-calóricos,llevando de paso a la revisión a fondo dela teoría económica.

En esas décadas una prodigiosa gene-ración de físicos entienden de diferentemanera estas nuevas coordenadas de la in-terpretación del universo, pero reconocengeneralmente que hay que basar en los flu-jos energéticos la razón de la naturaleza, dela vida y, por supuesto, de las actividadeshumanas. Otswald es el primero que nosinteresa porque recibe y transmite, comodiscípulo, algunas de las ideas de Mach so-bre la trascendencia termodinámica, po-niendo en relación la evolución histórico-cultural-económica con la disponibilidad yla eficiencia en la utilización de la energía;Otswald pertenecía a la Liga Monista jun-to con Häckel, el científico que acuñó eltérmino ecología (1866), figurando tam-bién entre los creadores de la energéticasocial con Frederick Soddy (también No-bel de Química, en 1918), y siendo por tan-to parte del grupo de constructores de loque cien años después se llamaría econo-mía ecológica (de radical sentido termodi-námico, es decir, entrópico).

Pero esta “mirada interior” que cier-tos científicos (no sólo físicos o quími-cos, también agrónomos, economistas,fisiólogos o filósofos) dirigen hacia losfenómenos termodinámicos venía escru-tando el mundo combinado de lo naturaly lo económico desde hacía años. Así, elfamoso economista Stanley Jevons nosólo planteó en su The coal question(1865) que el poder y el futuro de GranBretaña dependían del calor sino que, so-bre todo, advirtió que, consumiéndolo aritmo creciente, lo que se hacía era dila-pidar un capital natural irrecuperable, sintener en cuenta ni el futuro ni las genera-ciones venideras; y se empeñó en desa-rrollar su teoría económica como una“mecánica del interés propio”

Y en la década de 1880 se produjeronotras notables aportaciones a esta crecien-te “perplejidad termodinámica” ante la so-ciedad productiva, a cargo de diversos eimportantes científicos. El primero en ci-tarse suele ser Serhii Podolinsky (1850-91), un emigrado político ucraniano que apartir de su estudio de la agricultura comoreceptora y transformadora de la radiaciónsolar, estimó (1880) que frente a la entro-pía y su mensaje implacable “disipador”,el trabajo humano, el trabajo animal y laproducción agrícola podían aumentar elbalance energético sobre la tierra (con estanecesaria matización: siempre que no ha-ya aportación mecánico-energética ni in-sumos químicos).

El propio Clausius publicó (1885) unanálisis sobre las reservas energéticas dela naturaleza y destacó la necesidad de que“de cada cosa se debe consumir cuanto sepueda producir en el mismo periodo”, si-guiendo las advertencias de Jevons y so-metiéndose a las exigencias de los flujos

de energía, que resultan engañosos cuandoproceden de recursos fósiles o no renova-bles. Boltzmann, por su parte, en un fa-moso discurso (1886), relacionó la teoríade la selección natural con la disponibili-dad de energía, aportando luces sobre lateoría darvinista. Era evidente que la ener-gía, con sus promesas y miserias, se colo-caba en el centro de la ciencia, de la eco-nomía y, por supuesto, de la política.

DEL MOTOR DECOMBUSTIÓN INTERNA AL AUTOMÓVIL

Así como la máquina de vapor se ade-lantó en mucho a las formulaciones teó-ricas termodinámicas, el motor de com-bustión interna puede considerarse, engeneral, como un producto de los avancesderivados de un mejor conocimiento teó-rico-empírico de las relaciones calor-mo-vimiento. Anotemos, antes de nada que,aunque la máquina de vapor se adelantóen un siglo al motor de combustión inter-na, éste había tenido sus precedentes enlas experiencias de Huyghens y su ayu-dante Papin en el siglo XVII utilizando lapólvora como material de combustión; yobservemos que, una vez más, la idea deesta máquina se adelantó en mucho a ladisponibilidad de los medios necesariospara ponerla en práctica. Y por supuestoque el gran salto en la expansión de estetipo de motor se produjo cuando se en-contró, por fin, un combustible maneja-ble, fácilmente trasladable desde susfuentes a las aplicaciones y cuya relaciónpoder calorífico/peso fuese suficiente-mente alta: esa fue la inmensa ventaja delpetróleo con respecto al carbón y la causade sus sustitución (Téngase en cuenta queel petróleo inicio su era en 1859, cuandosurgió del famoso pozo de Titusville, Pen-silvania, de la empresa de Rockefeller.)

En la fecha-hito de 1851 (ExposiciónUniversal de Londres) sólo pudo verse unúnico modelo de motor de gas, desarro-llado por Drake en los Estados Unidospocos años antes. Pero todavía estaba le-jos el momento en que los nuevos moto-res desbancasen a la máquina de vapor,clave y estructura de la industria y la eco-nomía del siglo; hubo que esperar a18764 para que el alemán Nikolaus Otto

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Lord Kelvin.

Otswald.

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construyese su modelo de motor de com-bustión horizontal, que se había generali-zado hacia 1890 utilizando un ciclo decuatro tiempos conocido por el nombrede su creador.

(Llama la atención, por cierto, el“desvanecimiento” de la inventiva britá-nica en las últimas décadas del siglo,considerando muchos historiadores de latécnica que esa fecha de 1851, con suGran Exposición, marca el final de su predominio y, al tiempo, el despegue yauge del poder tecnológico de sus dosgrandes rivales: Estados Unidos y Ale-mania.)

En las décadas de 1870 y 80 huboavances importantes en motores que em-pleaban aceites pesados a manos de inge-nieros norteamericanos, que sustituyeronel encendido de la mezcla mediante unachispa eléctrica por la aportación de airecomprimido desde un cilindro, que provo-caba la explosión. Pero los más notablesavances científicos fueron obra de RudolfDiesel, cuyo motor fue patentado en In-glaterra y producido comercialmente conéxito en 1897, siguiendo los principios desu obra Teoría y construcción de motorestérmicos racionales (1893). El cuidadosodiseño de Diesel nunca llegó a la perfec-ción pretendida, pero obtenía un alto gra-do de compresión, lo que le daba la mayoreficiencia entre los modelos existentes.

Los motores de gasolina, mientras tan-to, presentaban modelos muy revoluciona-dos y cambios en el sistema de inyeccióne ignición del combustible. Y en este par-ticular, y dejando de lado una vez más losprecedentes constatables (como los moto-res del austriaco Markus, quince años an-tes, el mérito principal ha de atribuirse alingeniero alemán Gottlieb Daimler, cuyoprimer motor de gasolina fue patentado en1885 y que utilizaba un ciclo Otto. Al mis-mo tiempo, otro alemán, Karl Benz, cons-truía motores pesados de gasolina, de unsolo cilindro, especialmente destinados ala automoción: se fabricaron, en Man-heim, entre 1893-1901, moviendo un ve-hículo de cuatro ruedas. Ambas firmas,Daimler y Benz, se fusionaron en 1926,pasando a llamarse Mercedes Benz.

Los motores de gasolina de las últi-mas décadas del siglo serían, todos, deuno o dos cilindros y se refrigeraban poraire hasta la adición de un refrigeradorpor agua poco antes de que acabara el si-

glo: así fabricó Ford su primer automóvilen 1896 (aunque la famosa Ford MotorCompany se crearía, en Detroit, en1903). Y es verdad que en el cambio desiglo el automóvil, sea europeo, sea nor-teamericano, ya está configurado y cons-tituido definitivamente, siendo mínimasy secundarias las diferencias habidas conlos modelos de cien años después. Aun-que triunfarían pronto los motores decombustible líquido para automóviles, nodebe olvidarse que durante varias déca-das circularon en Estados Unidos auto-móviles con máquina de vapor5, siendolos de mayor éxito los fabricados por loshermanos Stanley a partir de 1906, concaldera de tubos y máquina de dos cilin-dros, pudiendo alcanzar los 120 kmh;hasta 1927 se fabricaron nada menos que60.000 unidades, pudiéndose ver algu-nos incluso durante la Segunda GuerraMundial. ●

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BIBLIOGRAFÍADerry, T. K. y Williams, T. I. (1990): His-

toria de la tecnología. Desde 1750 hasta 1900(II), Siglo XXI, Madrid.

Martínez Alier, J. y Schlüpmann, K.(1991): La ecología y la economía, FCE, Mé-xico.

Mason, S. E. (1986): Historia de las cien-cias. 4. La ciencia en el siglo XIX, Alianza,Madrid.

NOTAS1 Lavoisier era uno de los más prestigiosos

sostenedores de la teoría del calórico co-mo sustancia indestructible. Pero ya en elsiglo XIX se va abriendo paso la idea deque el calor puede crearse y eliminarse.Será necesario todo el siglo para que estecalórico (y también el flogisto y el éter)desaparezcan de la ciencia como elemen-tos instrumentales e interpretativos.

2 Helmholtz, médico y físico, pasa por seruno de los últimos espíritus universales,enseñando y trabajando en una amplísimotemario físico-fisiológico.

3 Téngase en cuenta que hasta iniciarse el si-glo XIX la edad de la Tierra se evaluaba enunos pocos miles de años (el obispo irlan-dés Usher, en 1611 se atrevió a datar sucreación ¡a las 9 de la mañana del 26 deoctubre del año 4004 a. C!). Fueron los na-turalistas Werner, Hutton y sobre todoLyell quienes en pleno siglo XIX demostra-ron que los procesos geológicos de forma-ción terrestre obligaban a contar en millo-nes de años.

4 Es interesante comprobar que 1876 estambién el año del teléfono de Bell y Gray,considerado el primero de impacto comer-cial, y también de los avances decisivos enmateria de iluminación eléctrica (Edison).

5 De hecho, se atribuye al francés Cugnot lacreación del primer vehículo automóvil(1769), de tres ruedas y accionado por unamáquina de vapor.

Sadi Carnot.

James Joule.

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