Gottfried Leibniz (1646-1716) fue uno de los primeros en intentar entender a la energía. En 1676 investigaba lo que, a primera vista, puede parecer una pregunta muy simple: ¿Qué sucede cuando dos objetos chocan? Esto fue lo que Leibniz y muchos de sus contemporáneos intentaron resolver; observó que cuando dos bolas chocaban, el movimiento de una se transfería a la otra. Era como si algo estuviera pasando entre ellas y a esto Leibniz le llamó “la fuerza vital”, pensó en ella como una cosa, como una sustancia física real que se transfiere durante la colisión. Argumentaba que el mundo era una máquina viviente y que, dentro de esta máquina, había una cierta cantidad de fuerza vital puesta en ese lugar por el Dios de la creación que permanecería constante por siempre, por lo tanto, la cantidad de fuerza vital en el mundo se conservaría.
También observó que, con la pólvora, el fuego y el vapor de agua, la fuerza vital era liberada de forma violenta y poderosa; pensó que, si esta fuerza se aprovechara, daría a la humanidad un poder inimaginable. Entabló correspondencia con un joven científico francés llamado Denis Papín, sus deducciones los llevaron a darse cuenta de que la fuerza vital liberada en ciertas condiciones se podía aprovechar, el calor podría ser convertido en alguna forma de trabajo útil, pero ¿hasta qué punto podría ser cierta esa idea? Papín no tenía ninguna duda, este es un extracto de una de sus cartas a Leibniz: “(…) Le puedo asegurar que cuanto más avanzó, más razonable me parece la idea de que, en teoría, el hombre puede aumentar sus poderes hasta el infinito. Pero en la práctica puedo decir, sin exageración, que un hombre por este medio será capaz de hacer todo lo que cien personas pueden hacer por él”. 150 años después de que Leibniz y Papín lo discutieran, la fuerza vital era aprovechada de manera espectacular a través de los motores de vapor; las máquinas que soñaron ahora eran una realidad, y se convirtieron en el soporte de la tecnología del Siglo XIX.
El motor a vapor fue un gran paso en la civilización, la energía que producía resultaba ilimitada y muy importante para hacer cosas casi inimaginables. Pero la tecnología del vapor haría más que simplemente transformar a la sociedad humana: revelaría la verdad acerca de lo que Leibniz había llamado la fuerza vital, así como nuevos conocimientos sobre el funcionamiento del Universo. A pesar del gran éxito, y el inmenso poder que los motores otorgaron a sus creadores, había mucha confusión y misterio respecto a su funcionamiento, se cuestionaban aspectos como: ¿Qué tan eficientes podrían ser? ¿Tiene límites su poder? Casi nadie comprendía los principios de la máquina de vapor.
En 1814, Nicolás Leonard Sadi Carnot (1796 – 1832) se propuso entender cómo funcionaba realmente la máquina de vapor contribuyendo, de esta manera, a la creación de una nueva ciencia. La ciencia del calor y el movimiento –La Termodinámica–. En 1824, Carnot escribió lo que ahora son las legendarias reflexiones sobre la fuerza motriz del vapor. Desarrolló y resumió los fundamentos del funcionamiento de los motores a vapor; observó que todos los motores térmicos se componían de una fuente caliente en un ambiente más fresco –fuente fría–. Creía que el calor era una especie de sustancia que fluía como el agua desde lo caliente a lo frío, y al igual que el agua, que cae desde cierta altura, el flujo de calor podía ser aprovechado para realizar trabajo. La visión crucial de Carnot fue revelar que una máquina térmica resultaba más eficiente aumentando la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el ambiente fresco, revelando así una de las propiedades más profundas de la naturaleza –El flujo de energía entre el calor y el frío–.
En 1832, una devastadora epidemia de cólera se extendió a través de París. En esa época no había ninguna comprensión científica real de cómo se propagaba la enfermedad. Carnot, indiferente ante los riesgos, decidió estudiar y documentar la propagación de la enfermedad, pero por desgracia, la contrajo, y murió unos días después; tenía apenas 36 años. Gran parte de su trabajo científico fue quemado para detener la propagación del contagio y sus ideas se perdieron en el tiempo. Como si el mundo no estuviera preparado para Carnot (quien había realizado la primera gran contribución a la ciencia de la termodinámica). Pero a medida que avanzaba el siglo XIX, el estudio del calor, el movimiento y la energía comenzó a reunir a la comunidad científica en general. Pronto se dieron cuenta de que estas ideas podían hacer mucho más que simplemente explicar cómo funcionaba el calor en los motores, al igual que Leibniz, que había sospechado que la noción de fuerza vital era una idea aplicable a una escala mucho mayor.
A mediados del siglo XIX, científicos e ingenieros trabajaban tratando de establecer la manera en que se relacionaban entre sí las diferentes manifestaciones de energía; los investigadores midieron la cantidad de energía que se necesitaba para generar una cierta cantidad de otro tipo diferente. Lo más importante del proceso es que los científicos se dieron cuenta de que, aunque el trabajo mecánico y el calor aparentaban ser dos cosas muy diferentes, eran de hecho, dos caras de la misma moneda (la energía). Esta noción vendría a conocerse, con el tiempo, como la primera ley de la termodinámica, que establece que la energía nunca se crea ni se destruye, solo cambia o se transforma de una forma a otra. También se dieron cuenta de que la energía total de todo el Universo era constante. Sin embargo, a pesar de lo impresionante de la Primera Ley de la Termodinámica, surgió una enorme pregunta: ¿Qué es exactamente lo que sucede cuando una forma de energía cambia a otra? La respuesta a esta pregunta sería la base de lo que vendría a conocerse posteriormente como la Segunda Ley de la Termodinámica.
Entre 1850 y 1860, Rudolf Clausius (1822 – 1888) ofreció lo que fue realmente el primer análisis matemático coherente y ordenado de cómo funcionaba la Termodinámica. Planteaba que no sólo había una cantidad fija de energía en el Universo, sino que la energía parecía estar siguiendo un patrón muy estricto: la energía en forma de calor siempre se mueve en una sola dirección. Esta visión suya es, de hecho, una de las ideas más importantes en toda la ciencia. Cómo lo expresó: “El calor no puede pasar por sí sólo desde un cuerpo frío a otro más caliente”, esto puede parecer completamente obvio, pero fue una visión crucial. El flujo de calor iba en un sólo sentido, proceso que parecía ser la manera fundamental de cómo estaba constituido todo el Universo. Por supuesto, los objetos se pueden calentar más, pero siempre es necesario hacer algo para que esto suceda, el calor no fluye espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente (siempre sucede lo contrario); no sólo se limitó a observar el proceso, reunió las ideas de cómo la energía se transfiere y las expresó en un lenguaje matemático, lo que podría resumirse en la siguiente ecuación: .
Clausius introdujo una nueva magnitud que denominó Entropía (la letra “S” de la ecuación), la ecuación establece que: a medida que el calor se transfiere de los cuerpos más calientes a los más fríos, la entropía siempre aumenta. La entropía parecía ser una medida de cómo el calor se disipa o se extiende. Cuando los objetos calientes se enfrían, la entropía aumenta. Aparentemente para Clausius, en un sistema aislado, el proceso sería irreversible; estaba tan confiado en sus matemáticas que se imaginaba que este proceso de irreversibilidad sucedía en el inmenso cosmos. Pensaba que la entropía de todo el Universo tendía a incrementarse hacia un máximo y no había nada que se pudiera hacer para evitarlo. Esta segunda idea se conoce como la Segunda Ley de la Termodinámica y resultó ser más extraña, más bella y más universal de lo que llegó a imaginar. La Segunda Ley de la Termodinámica parecía decir que todas las cosas que desprenden calor, de algún modo, estaban conectadas entre sí y formaban parte de un proceso irreversible que estaba sucediendo en todas partes, un proceso de distribución y dispersión, un proceso de incremento de la entropía.
A pesar de los logros de la Termodinámica, en la mitad del siglo XIX, se produjo un gran debate y confusión respecto al tema. ¿Qué es exactamente esa cosa extraña llamada entropía? ¿Por qué va siempre en aumento? Responder a esta cuestión implicaría un increíble avance intelectual que acabaría revelando la verdad sobre la energía y las muchas formas de orden y desorden que observamos en el Universo que nos rodea. Muchos científicos abordarían el misterioso concepto de la entropía, pero uno de ellos, en particular, mostraría lo que realmente era la entropía y por qué siempre debe aumentar a través del tiempo; su nombre era Ludwig Boltzmann.
Sé parte de la Unidad Académica de Ciencia y Tecnología de la Luz y la Materia (LUMAT). Informes: http://lumat.uaz.edu.mx/; https://www.facebook.com/LUMAT.UAZ; https://twitter.com/LumatUaz.
*Docente Investigador de la Unidad Académica
de Ciencia y Tecnología de la Luz y la Materia. LUMAT.
