De las leyes de conservación (II)

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Los sistemas físicos y químicos aislados poseen ciertas propiedades que no cambian como, por ejemplo, la masa, la energía y si, además están en equilibrio térmico, la temperatura. Cuando hablamos de leyes de conservación nos referimos a un subconjunto de estas propiedades que se conservan cuando estos sistemas interactúan; así hablamos de conservación de la masa o conservación de la energía.

Los filósofos naturales hicieron explícitas estas leyes por primera vez en el siglo XVIII. Desde entonces las leyes de conservación han guiado el desarrollo de la teoría en las ciencias físicas. En el camino han estallado conflictos que han resultado ser muy instructivos sobre la identidad de la propiedad conservada y las condiciones de su conservación.

El descubrimiento y empleo de las leyes de conservación puede dividirse en tres etapas que denominaremos descubrimiento (siglo XVIII), primeros resultados (siglo XIX) y simetrías (siglos XX y XXI).

Primeros resultados

A lo largo del siglo XIX las leyes de conservación llegaron a ser una herramienta de descubrimiento; especialmente la ley de conservación de la energía.

Así, en 1824 el ingeniero militar Nicolas-Léonard-Sadi Carnot aplicó el principio de conservación al calórico, considerado como el agente responsable del funcionamiento de las máquinas de vapor. El trabajo extraído de la máquina venía del paso del calórico desde la caldera, a mayor temperatura, al ambiente de la misma forma que la caída del agua hace funcionar un molino. El análisis de Carnot, que llevó a la importante conclusión de que no puede existir máquina térmica más eficiente que la reversible, fue expresado de forma matemática por Benoit-Pierre-Émile Clapeyron en 1837. Y mayormente olvidado.

Mientras tanto Michael Faraday, William Grove y otros exploraban la conservación de la fuerza, lo que incluía la electricidad y el magnetismo.

En los años cuarenta el trabajo realizado en el siglo anterior condensó en forma de varias personas, de áreas de la ciencia diferentes, afirmando ser las “descubridoras” de la conservación de la energía y de algunas consecuencias interesantes. William Thomson (Lord Kelvin), por ejemplo, desarrolló el trabajo de Clapeyron , lo que le llevó a la definición de temperatura absoluta. En 1847 Thomson escuchó a James Joule presentar un resumen de sus resultados al medir el calor producido por una corriente eléctrica (ley de Joule) y por el trabajo mecánico. Joule había llegado a la conclusión de que las fuerzas de la naturaleza no se conservaban sino que se transformaban una en otra de acuerdo con un cálculo exacto: una cierta cantidad de calor siempre generaría la misma cantidad de trabajo mecánico (equivalente mecánico del calor).

En Über die Erhaltung der Kraft (1847) Hermann von Helmhotlz anunció un principio general de la naturaleza al que había llegado tras asumir que la materia no era otra cosa que una colección de átomos que se mantenían juntos por el efecto de fuerzas centrales. Igualaba el cambio en vis viva de una partícula moviéndose bajo la influencia de un centro de fuerza al cambio en la “intensidad de la fuerza”, e identificaba ésta con la función potencial introducida por Carl Friedrich Gauss. Helmholtz conseguía demostrar cómo resultados experimentales como los de Joule apoyaban su principio de intercambiabilidad de la fuerza.

En 1850 Rudolf Clausius propuso la forma más explícita de la conservación de la energía. Rehízo el análisis de Carnot reemplazando la conservación del calórico por la conservación de la “energía” del gas perfecto que asumía como sustancia de trabajo de su máquina térmica y la expresó matemáticamente, estableciendo de esta manera la forma de la primera ley de la termodinámica. Más tarde presentaría el calor como la vis viva de las moléculas de gas y la elevación de un peso por parte de la máquina como la transformación de un tipo de energía (cinética) en otro (potencial). En la segunda mitad del siglo XIX la conservación de la energía se convertiría en un puntal de la física.

La conservación de la energía, sin embargo, no ocupaba un lugar especial ni en la teoría cinética ni en la mecánica estadística de James Clerk Maxwell pero era central en los trabajos de Ludwig Boltzmann tanto en mecánica como en termodinámica. J. Willard Gibbs extendió el uso de la termodinámica de la física a la química y desarrolló, en paralelo con Helmholtz, otras leyes de conservación (entalpía, energía libre) útiles en química física.

La conservación de la energía aparecía como el fundamento de un nuevo enfoque de la filosofía de la física llamado energética, desarrollado por William Rankine, Wilhelm Ostwald y Georg Helm. Asimismo Maxwell rehízo su teoría del electromagnetismo en el marco de la conservación de la energía usando A treatise of natural philosophy (1867) de Peter Guthrie Tait y Kelvin como guía.

A pesar de estos avances sustanciales los físicos se encontraron con auténticas dificultades para hacer que ciertos fenómenos térmicos y de la radiación encajasen bien con la conservación de la energía. A estos se sumó la radioactividad que en sus comienzos parecía violar claramente la ley. Esta situación poco halagüeña, que Kelvin describió como nubes en el cielo por lo demás azul de la física, terminaría encontrando solución en la hipótesis cuántica de Max Planck y la teoría desarrollada posteriormente sobre ella, y en la demostración experimental por parte de, entre otros, Marie Sklodowska Curie y Ernest Rutherford de la conservación de la materia y la energía en la desintegración radiactiva y la equivalencia entre masa y energía (E = mc2) de Albert Einstein.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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Hitos en la red #26 | Naukas

[…] También es interesante explicar algo conocido de otra manera. Es el caso de la rattleback, ahora usando el principio de conservación de la energía: Cómo funciona la peonza celta o rattleback. Por cierto, si no sabes lo que hace la rattleback, como veas el vídeo te parecerá magia…y es sólo física. Y si tienes interés en el desarrollo del concepto de conservación de la energía, puedes leer De las leyes de conservación (II). […]

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