Galileo Galilei (1564-1642; Italia), uno de los fundadores del método experimental, empezó a experimentar el movimiento, comenzó demostrando que la velocidad con la que caen los cuerpos no depende de su peso, dio pie a las formulaciones de Isaac Newton (1642-1727; Inglaterra), formuló la ley de la gravedad y estableció los principios de la mecánica y la física modernas.
En estas épocas, algunos conceptos físicos quedaron definidos y comprendidos, por ejemplo, para mover un objeto o cosa se requiere de la acción de una fuerza. Esta fuerza es proporcional a la masa de aquello que se quiere mover o desplazar. Aquella fuerza que interviene para cambiar (mover o detener) algo, debe originarse en algo: músculo humano, agua que cae, resorte que se descomprime, fuerza animal, entre otros.
Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646-1716; Alemania), llamó a la "energía" de los cuerpos en movimiento cinética y observó que ésta se transmite de un cuerpo a otro y puede ser modificada, pero no se pierde, estableciendo las bases de la primera ley de la termodinámica que sería formulada 150 años después.
Fue Christiaan Huygens (1629-1695; Holanda), quien estableció el principio de la conservación de la energía o fuerza viva en el choque elástico; G. W. Leibniz (1646-1716; Alemania), lo generaliza a todas las transformaciones mecánicas y, J. Bernoulli (1667-1748; Holanda), lo extiende a la vena líquida.
Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794; Francia), comenzó a aplicar el método cuantitativo a sus experimentos y como resultado de sus observaciones obtiene la "ley de conservación de la masa".
En el siglo XVIII se empieza a experimentar con el calor, que también podía hervir agua; expandir vapor y mover pistones, o sea que el calor también podía hacer un trabajo, era "vis viva" [1]. Hasta mediados de este siglo se consideraba que el calor, la electricidad y la luz eran formas especiales de la materia.
Los estudios de James Watt (1736-1819; Escocia), sobre máquinas térmicas hacen rechazar el carácter material del calor, para incluirlo en el concepto de energía, como forma de movimiento.
Thomas Young (1773-1829; Inglaterra), en 1807 decidio unificar y definir lo que hasta entonces se conocía como "vis viva". Según la definición de Young todo lo que puede producir trabajo debería llamarse ENERGIA. (Del griego energos <> activo, derivado de ergón <> trabajo). Young definió entonces a la energía como la capacidad para realizar un trabajo.
A partir de Young al cuantificar la capacidad de trabajo que podía realizar el carbón trabajo, se hablaría de energía si es calentando el agua, un peso cayendo de cierta altura, o cualquier otro medio para producirla. Desde principios del siglo XIX quedó claro que existían diversas formas de energía y que eran intercambiables entre si. La energía es transformada en sus diversas formas.
Julius Robert von Mayer (1814-1878; Inglaterra), en 1842 propuso la Primera Ley de la Termodinámica o el Principio de Conservación de la Energía como la "regla de la indestructibilidad de la fuerza", planteando además que no sólo es aplicable al mundo inanimado sino a la vida misma.
James Prescott Joule (1818-1889; Inglaterra), en 1843 midió el equivalente mecánico del calor y estableció un sistema de medida convencional para la cuantificación de la energía, demostrando que una cantidad de trabajo genera una cantidad específica de calor.
1 Joule = 4.18 Calorías = 10,000 ergs
1 BTU = 778 lb-pie ≤ 1 Kcal = 427 Kg-m
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894; Alemania), en 1847 publicó un trabajo en el que enunciaba en forma definitiva la "Ley de la Conservación de la Energía ".
El trabajo de Mayer, Joule y von Helmholtz no tuvo gran aceptación en sus inicios. Tanto Mayer como von Helmholtz presentaron ponencias al "Annalen der Physik und Chemic", la revista científica más importante de la época; y estos trabajos fueron rechazados.
Posteriormente, en 1851 y gracias al trabajo de Sir William Thompson, lord Kelvin, (1824-1907; Inglaterra), la Primera Ley fue aceptada. Fue también Kelvin quien introdujo la palabra ENERGIA en el vocabulario de la ciencia.
En 1824 el ingeniero Nicolás Sadi Carnot (1796-1832; Francia) publicó un pequeño libro sobre el "Poder Motriz del Fuego". El trabajo de Carnot fue básico para entender el rendimiento de las maquinas térmicas pues explicaba que en el proceso de conversión de una forma de energía a otra siempre había una fracción irrecuperable.
Carnot planteó claramente el hecho de que no es posible convertir calor a una sola temperatura en trabajo, y que la eficiencia de las maquinas de vapor es función de la diferencia de temperaturas existente entre la máquina y el ambiente.
Emile Clapeyron (1799-1864; Francia), tomó las ideas de Carnot, les dio un tratamiento matemático riguroso, y elaboró una formulación más general. Lord Kelvin y Rudolf Clausius (1822-1888; Alemania), se dedicaron a la tarea de extender el trabajo de Clapeyron a una Segunda Ley con el mismo rigor teórico que se aplicó a la Primera Ley.
Si bien la energía no se destruye, se pierde en el sentido de no poder ser ya utilizada para hacer un trabajo. Esto dio lugar a que en 1850 el físico alemán Rudolf Julius Emmanuel Clausius postulara la 2a. Ley de la Termodinámica que establece que todos los procesos energéticos tienden a igualar temperaturas y que todo sistema pierde constantemente energía que deja de ser recuperable. Clausius llamó a esto Entropía del sistema.
Por entropía entendemos hoy la tendencia de todos los procesos a igualar temperaturas, ya que el calor pasa sólo de lo más caliente a lo más frío, el camino de la energía es siempre descendente, lo cual plantea que, eventualmente, el universo llegará al "caos" en que todas las temperaturas se igualarán y no podrá llevarse a cabo ningún trabajo.
En 1900 Max Planck (1858-1947; Alemania), pone de manifiesto la naturaleza discreta de la energía, la cual varía en unidades discretas o cuantos. La luz es una forma de energía (energía electromagnética), cuyos cuantos o fotones tienen una energía ,E, definida como:
E = hv , h = cte. de Planck, v = frecuencia de la luz
En 1905 Albert Einstein (1879-1955; Alemania; Estadounidense desde 1940), al presentar su teoría de la relatividad explica el fenómeno radiactivo que se producía desde algunos materiales (Radio, Plutonio, etc.) que, aparentemente, violaba la Primera Ley ; involucra entonces la masa en esta Primera Ley y formula la equivalencia entre masa y energía:
E = mc2, donde c es la velocidad de la luz en el vacío y m la masa en reposo
Con ello la masa, es decir la cantidad de materia, es una nueva forma de energía: la energía nuclear. De la ecuación de Einstein se deriva que un cuerpo, con independencia de su posición, velocidad o temperatura, tiene una energía música, o energía de reposo. Hecho cuya comprobación experimental tiene lugar en 1936, cuando Otto Hann, provoca la fisión del Uranio. En 1921 Einstein explica el efecto fotoeléctrico, o transformación de la luz en energía eléctrica, mediante su carácter discreto.
Como complemento al tema que viene tratándose, se incluye a continuación un texto tomado fielmente del libro: "Historia y Filosofía de la Ciencia ", de L.V.H. Hull, traducción de Manuel Sacristán, Editorial ARIEL, Barcelona, España, 1981, páginas 327 y 328.
"El estudio del calor llevaba mientras tanto el gran principio unificador llamado de la conservación de la energía. La noción precisa de trabajo en mecánica se derivaba de consideraciones relativas al levantamiento de pesos. La cantidad de trabajo realizada al levantar un kilogramo a un metro, contra la gravedad, se llama un kilográmetro (Kg-m). Cuando se levantan x kilos a y metros, el trabajo hecho es de xy Kg-m. La noción de energía se deriva de la de trabajo: la energía de un sistema mecánico es, por así decirlo, su capacidad de trabajo. Un peso levantado puede trabajar si se le deja caer; un muelle comprimido puede trabajar al expansionarse; igual que trabaja un torno; los tres objetos poseen energía. La energía del peso levantado o del muelle comprimido, que depende de su posición o de la configuración, se llama energía potencial; la del atorno, que depende de su movimiento, se llama energía cinética. Esas dos clases de energía son intercambiables. La energía potencial de un muelle puede usarse para dar energía cinética a un reloj; la energía cinética de un ciclista se convierte en energía potencial en cuanto adquiere altura.
Es sabido que el trabajo mecánico hecho al frotar cuerpos puede producir calor; la introducción de la máquina de vapor demostró que el calor podía producir trabajo mecánico. Los ingenieros de la revolución industrial, ansiosos de conseguir la máxima eficiencia de sus máquinas, se interesaban por saber la cantidad de trabajo que podía obtenerse exactamente de una cantidad de calor dada. Este problema dio lugar a la importante ciencia de la termodinámica. El primer avanzado de ella fue J.P. Joule (1818-1889), discípulo de Dalton.
Como unidad de calor tomó Joule la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado F la temperatura de una libra de agua. Calentó agua agitándola con paletas movidas por pesos. Así mostró que una determinada cantidad de trabajo produce siempre la misma cantidad de calor. En su cálculo detallado de esas cantidades tuvo un ligero error, pero ese error es irrelevante; lo importante era su demostración de que el calor no está vagamente relacionado con el trabajo mecánico, sino que puede ser intercambiado con éste según una razón fija y calculable. Parecía, pues, que el calor debía ser una forma de energía. Esta conclusión estaba de acuerdo con la teoría cinética, según la cual el calor podía ser la energía cinética oculta de moléculas en rápida vibración. El trabajo de frotar o agitar aumentaría naturalmente la agitación molecular, y por eso se produciría el aumento de temperatura.
Joule obtuvo resultados análogos al estudiar el efecto calorífico de la corriente eléctrica. Halló que una cantidad dada de electricidad que pasa por un conductor dado produce una cantidad de calor constante. Como se sabía ya que esa cantidad de calor era equivalente a una cantidad determinada de energía mecánica, se seguía que la corriente eléctrica tenía también un equivalente mecánico fijo. La conversión directa de energía mecánica en electricidad y viceversa fue demostrada por Oersted, Ampere y sobre todo por Faraday. El par termoeléctrico, descubierto por Seebeck en l822, exhibe la conversión directa del calor en electricidad. Se juntan dos alambres de diferentes metales para constituir un circuito cerrado. Si se calienta una de las ramas dejando fría la otra, circulará una corriente por el circuito. Hoy se le conoce como el efecto Seebeck.
Observaciones de este tipo llevaron a Joule y a Helmholtz a creer que la energía existe en varias formas: elástica, gravitatoria, térmica, cinética, magnética, radiante, química, etc. La pérdida de un tipo de energía implica siempre la aparición de una cantidad determinada de algún otro tipo de energía. La energía no puede crearse ni destruirse, sino sólo transformarse. La ulterior experiencia ha confirmado esta ley en todas las ramas de la ciencia. En su forma original que establece la equivalencia estricta de la energía mecánica y el calor, este principio es la primera ley de la termodinámica; en su forma más general como referencia a la energía de todas clases es la ley de conservación de la energía. La termodinámica ha revelado, pues, una ley que parece universal y que gobierna todos los fenómenos naturales, incluidos los de la vida. No se trata de una ley mecánica, ni astronómica, ni fisiológica, ni de una ley electroquímica, termodinámica o termoeléctrica; es una ley científica, sin calificativo que abarca todo el campo del conocimiento natural. Esa ley unifica no sólo las varias ciencias físicas, sino también a éstas con las de la vida. El ciclo del carbón implica continuos intercambios de energía, desde la irradiante a la química en la fotosíntesis, de la química a la térmica y cinética en los animales que viven de productos de la fotosíntesis."
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