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Universidad de Chile Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas Departamento de Química Orgánica y Fisicoquímica Programa de Doctorado Filosofía de Historia y Filosofía de la la Ciencia http://www.filosofia.tk/foto/museo/La%20escuela%20de%20Atenas.jpg Profesor: Dr. Jorge Valenzuela Pedevila • LOS AVANCES DE LA FISICA DEL SIGLO XIX • En el siglo XIX hubo importantes avances de la física, que tuvieron características revolucionarias. Se pueden mencionar: (a) la termodinámica; (b) la teoría cinética de los gases; (c) la mecánica estadística; (d) la teoría ondulatoria de la luz; (e) las leyes de las corrientes eléctricas; (f) las teorías del magnetismo y del electromagnetismo; (h) la espectroscopia, etc. • Entre estos grandes avances encuentran el gigantesco trabajo Faraday y las profundas teorías Maxwell. se de de Faraday http://www.generalanaesthesia.com/images/michaelhttp://www.physik.uni-frankfurt.de/~jr/gif/phys/maxwell.jpg faraday.gif Maxwell • Ha sido difícil para los historiadores determinar la relación entre las ideas de Faraday y la teoría de Maxwell. Los grandes aportes de Faraday pueden resumirse en el concepto de que el campo magnético se compone de líneas de fuerza, que las transmisiones eléctrica y magnética no son instantáneas. Maxwell reconoció su profunda deuda con Faraday al señalar “que he abordado este tratado, con la intención de convertir estas ideas (las de Faraday), en la base de un método matemático.” http://www.windows.ucar.edu/people/i mages/maxwell.gif • Algunos historiadores han señalado que considerar el aporte de Maxwell “como una mera traducción, sería menospreciarlo de la forma más grosera.” • Planck dijo: “con su audaz fantasía y su intuición matemática, Maxwell fue mucho más allá que Faraday, a la vez que generalizó y precisó sus puntos de vista.” “Maxwell creó una teoría que no sólo compitió con las teorías aceptadas de la electricidad y el magnetismo, sino que las superó a todas.” http://academic.brooklyn.cuny.edu/hi story/virtual/portrait/planck.jpg Michael Faraday, 1791-1867 http://www.heraldpress .com/books/michael_far aday.htm • Michael Faraday (inglés, 1791 – 1867), es quizás uno de los tres más grandes experimentalistas de la ciencia, a lo cual unió una excepcional intuición. Es un caso sorprendente porque tuvo una instrucción muy elemental en matemáticas, pero introdujo conceptos como líneas de fuerza y de campo electromagnético. • Comenzó como aprendiz de librero y leía la mayoría de los libros que le llegaban antes de empastarlos. Tuvo la oportunidad de asistir a las conferencias que ofrecía el gran químico Davy. Faraday le solicitó a Davy trabajo, enviándole como antecedente los apuntes que tomaba en dichas charlas. Davy lo contrató como auxiliar de laboratorio. Posteriormente fue su ayudante y finalmente lo sucedió en la Royal Institution. Sir Humphry Davy, 1778-1829 http://www.generalanaesthesia.com/images/hu mphry-davy.jpg http://homepage.mac.com/dtrapp/ePhysics.f/images2.f/Royal_Institut ion.jpg • Acompañó a Davy en un largo viaje por Francia e Italia y tuvo la ocasión de conocer a destacados científicos como Ampère y Volta y visitar grandes laboratorios. La pila inventada por Volta en 1800 http://www.ieee.org/organizations/histor y_center/milestones_photos/volta.html Ampère http://musee-ampere.univ-lyon1.fr/Ampere.gif • Como su maestro era químico, Faraday partió trabajando en Química. En 1820 demostró la existencia de compuestos de cloro con carbono. En 1823 logra licuar el cloro, el amoníaco y otros gases utilizando presión y temperatura. Descubrió el butileno y el benceno (1825). http://www.abocamuseum.it /bibliothecaantiqua/foto_libri /ritrattiautori%5C399_ritratt o.jpg http://www.ifi.unicamp.br/~ghtc/Biografias /Faraday/faraday4.gif • Cuando tenía 30 años, Faraday comenzó a investigar en electricidad. Hans Christian Oersted (danés, 1777 -. 1851), había descubierto el electromagnetismo, durante la realización de una clase en la Universidad. Oersted tenía la información dada por el físico italiano Giuseppe Domenico Romagnosi, quien había notado pequeños movimientos de una brújula al paso de una corriente voltaica. Hans Christian Oersted (danés, 1777 -. 1851) http://brunelleschi.imss.fi.it/museum/esim.asp?c =300437 http://stargazers.gsfc.nasa.gov/students/ electromagnetism.htm Giuseppe Domenico Romagnosi http://ase.signum.sns.it/romagnosi.html • Christopher Hansteen, un discípulo de Oersted, relató el descubrimiento. “El profesor solía siempre colocar el alambre conductor de su pila en ángulo recto sobre la aguja magnética, sin notar movimientos perceptibles. Esta vez, al término de su clase, en la que utilizaba una fuerte pila para otras demostraciones, nos dijo: Ensayemos colocar el alambre conductor paralelo a la aguja magnética. Hecho esto quedó perplejo al ver la aguja oscilar con fuerza, colocándose casi en ángulo recto con el meridiano magnético. Invirtamos – dijo luego – la dirección de la corriente y entonces la aguja se desvió en la dirección opuesta. De este modo fue http://www.nndb.com/people/035/000 realizado el gran descubrimiento.” 101729/ • Al poco tiempo, Francois Arago (francés, 1786 – 1853) imana el acero. De ahí nace el principio del electroimán que comunica a la Academia de París en 1820. http://www.uh.edu/engines/arago1.jpg • Ampère realiza nuevos experimentos y da origen a la ciencia de la electrodinámica, publicando en 1826 el trabajo “Teoría matemática de los fenómenos electrodinámicos únicamente deducida de la experiencia.” • Dado que Oersted había obtenido magnetismo por electricidad, Faraday se pregunta: “¿No se podría invertir el procedimiento y producir electricidad por magnetismo? http://www.physik.unifrankfurt.de/~jr/physpicold.html • En 1831 descubre la inducción magnética, un fenómeno que liga en general los movimientos mecánicos y el magnetismo con la producción de corriente eléctrica. Michael Faraday, a famous communicator of science of the 19th Century, shown demonstrating at the Royal Institution in London. http://www.bath.ac.uk/~hssdcg/ SCandCnow.html Leyes de Faraday (1832-1833) 1. El peso de una sustancia que se deposita en 2. un electrodo por el paso de una determinada cantidad de electricidad es siempre el mismo Los pesos de las distintas sustancias que se depositan, desprenden o disuelven en un electrodo por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a los respectivos pesos equivalentes de esas sustancias. • Sus grandes trabajos experimentales Faraday los publica en su libro en tres volúmenes “Experimental Research on Electricity (1839 – 1855), y en sus ocho volúmenes de su diario de laboratorio, editado por la Royal Institution con el nombre de Faraday’s Dairy (1932 – 1936). Faraday´s dairy http://www.bun.kyoto-u.ac.jp/phisci/Images/faraday.diary.jpg • Al cerrar este breve resumen de la obra de Faraday no se puede dejar de decir algo sobre su personalidad. Faraday nunca buscó honores ni riquezas. No quiso ocupar la presidencia de Royal Society, lugar que había ocupado Newton, ni aceptó un título nobiliario que le había ofrecido la Reina. Faraday decía debo quedar hasta el fin siendo simplemente Michael Faraday. http://home.att.net/~l.caimi/Faraday. JPG • En 1831 cuando realizó el gran descubrimiento de la inducción magnética renunció a los ingresos que le aseguraban las consultas de la industria. Sus amigos tuvieron que convencerlo que aceptara una pensión de gracia de 300 libras al año, que le había concedido el gobierno británico. Faraday delivering a Christmas Lecture in 1855 in the presence of Prince Albert and the Prince of Wales By Alexander Blaikley http://johnmadjackfuller.homestead.com/MichaelFaraday.html Cette maison est à deux pas de la Tamise, près du château où vécurent les rois d'Angleterre. http://dspt.club.fr/FARADAY.htm MAXWELL http://www.physik.uni-frankfurt.de/~jr/gif/phys/maxwell.jpg • JAMES CLERK MAXWELL (escocés, 1831 – 1879), nació el mismo año en que Michael Faraday descubrió la inducción magnética. Ingresó a la Universidad de Edimburgo a los 13 años y a los 15, publicó su primera memoria matemática. http://www.clerkmaxwellfoundation.org/ html/gallery.html • En Cambridge tuvo a su cargo un famoso laboratorio. En 1873 publicó su gran obra “Treatise on Electricity and Magnetism. http://www.aab.it/images/covers/04/86/60/63/0486 606368.jpg • Las ecuaciones de Maxwell anticipan la existencia de ondas eléctricas, análogas a las ondas luminosas y establecen la unión de los dominios del electromagnetismo y de la óptica. Maxwell comprueba que “cada cambio del campo eléctrico produce en su proximidad un campo magnético y cada cambio de un campo magnético provoca un campo eléctrico. Puesto que las acciones eléctricas se propagan a velocidad finita, de punto a punto, se pueden concebir cambios periódicos, en dirección e intensidad, de un campo eléctrico como una propagación de ondas. Tales ondas eléctricas están acompañadas por ondas magnéticas, inseparablemente ligadas a ellas. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí.” http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/Curiosid/Rc15/ondas.gif • ECUACIONES DE MAXWELL • Las ecuaciones de Maxwell son las ecuaciones • que describen los fenómenos electromagnéticos. Maxwell reunió en estas ecuaciones resultados experimentales de Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros. Introduce los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unifica los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético. De las ecuaciones de Maxwell se desprende la existencia de ondas electromagnéticas. La formulación moderna de las ecuaciones de Maxwell fue realizada por Oliver Heaviside y Josiah Willard Gibbs en 1884, utilizando una notación vectorial. http://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell's_equations http://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell's_equations • R. T. Glazebrook señaló cinco aspectos fundamentales de la teoría de Maxwell y “reconoció que en su época existían pruebas http://photos.aip.org/images/ca talog/glazebrook_richard_a1.jsp directas de muy pocos de ellos.” “Uno de los postulados más audaces es que el mismo medio que soporta las ondas de luz debe permitir la presencia de campos eléctricos y magnéticos. Concluyó que debe existir la posibilidad de que las ondas electromagnéticas se propaguen en el espacio. Además el factor que unía dos sistemas de unidades eléctricas, uno electroestático y el otro electromagnético, era una velocidad de valor numérico muy próximo a la velocidad de la luz. Esto implicaba que la luz era un fenómeno electromagnético, una serie de ondas electromagnéticas. Los resultados numéricos aparentemente demuestran que la luz y el magnetismo son manifestaciones de la misma sustancia y que la luz es una perturbación electromagnética propagada a través del campo de acuerdo con las leyes electromagnéticas.” • Por otra parte, Max Planck señaló “el campo de la óptica, que durante más de cien años había resultado inabordable desde el campo de la mecánica, fue conquistado de un solo golpe por la teoría electrodinámica de Maxwell, de manera que a partir de entonces se puede tratar cada fenómeno óptico como un problema electromagnético.” http://academic.brooklyn.cuny.edu/hi story/virtual/portrait/planck.jpg • TERMODINÁMICA • MAYER Y LA LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Julios Robert Mayer (alemán, 1814 – 1878). http://portrait.kaar.at/Naturwissenschaftler/im age12.html • Quizás su actividad como médico a bordo de un barco holandés en viaje a Java, donde tuvo que sangrar a varios tripulantes que habían caído enfermos, motivó su interés por las investigaciones físicas y fisiológicas acerca de la transformación de las fuerzas (no se conocía todavía el término energía). Cuando desangró a los tripulantes, observó que la sangre venosa era más roja en la región cálida de los trópicos que en la zona templada de Alemania. • Explicó este hecho basándose en la ideas de Lavoisier en el sentido de que “en las regiones tropicales el organismo no requiere ser el asiento de una combustión tan intensa para mantener constante su temperatura como en las latitudes más frías y el oxígeno que queda sin utilizarse confiere a la sangre un tinte más rojo.” http://www.puskas.hu/ttk/elet/mayer.jpg • La experiencia de dicho viaje le permitió visualizar una dependencia entre la temperatura excesiva, la combustión fisiológica y la cantidad de alimentos ingeridos. Mayer puede haberse preguntado “si el trabajo muscular del ser vivo no está implicado en esta relación unificadora de tan heterogéneos fenómenos, ya que el trabajo muscular puede haberse transformado en trabajo mecánico y éste a su vez en calor.” http://www.puskas.hu/ttk/elet/mayer.jpg • La transformabilidad de unos en otros le como distintos aspectos de un único ente físico.” sugiere a Mayer “concebirlos Entonces postulará que este ente (que se llamará más adelante energía), es permanente e indestructible. • Mayer escribe “Las fuerzas son causas y el principio causa eaquat effectum se aplica a ellas plenamente: Si la causa c produce el efecto e, tenemos c = e; la tesis de que las fuerzas no pueden perderse es, pues, tan segura como la igualdad de los dos lados de una ecuación.” Hoy día conocemos este enunciado como la ley de la conservación de la energía. • Mayer publicó su trabajo en los “Annalen der Pharmazie und Chemie” en 1842 bajo el título “Observaciones sobre las fuerzas de la naturaleza inanimada.” • En una carta dirigida a un amigo, Mayer señala: “Movimiento se convierte en calor, estas palabras contienen implícitamente toda mi teoría….Sostengo que gravedad, movimiento, calor, luz, electricidad, diferencia química de los ponderables representan tan sólo distintas formas aparentes de mi único ente.” Este trabajo y otros posteriores pasaron inadvertidos, lo que motivó ignorar al precursor cuando otros independientemente de él llegaron a descubrir la misma ley. • Helmholtz en 1847 expuso en forma brillante el principio de la conservación de la energía. Sólo al final de su vida empezó a reconocerse su excepcional descubrimiento. http://www.uniheidelberg.de/univ/grafik/geschichte1.jpg • JOULE Y EL EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR http://www.biografiasyvidas.com/biografia/j/fotos/joule.jpg • James Prescott Joule (inglés, 1818 – 1889), trabajando en forma independiente de Mayer, realizó los experimentos que permitieron probar la ley de la conservación de la energía. • En 1843 Joule establece “la relación invariable existente entre la cantidad de sustancias químicas consumidas en la batería, la cantidad engendrada en los conductores y el trabajo producido por la máquina impulsada por la corriente.” http://www.corrosiondoctors.org/Biographies/JouleBio.htm • Mediante sus experimentos, Joule determinó el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía y la unidad de calor. Actualmente el valor aceptado de la equivalencia es 1cal=4.186 J. Schéma de l’expérience de Joule. Les « poids » (dont la masse est connue) font tourner la roue à aubes dans l’eau par l’intermédiaire des poulies. Le thermomètre mesure l’élévation de température qui en résulte. http://www.cnrs.fr/sciencespourtous/abecedaire/pages/joule.h tm • HELMHOLTZ Y LA IMPOSIBILIDAD DEL MOVIMIENTO PERPETUO http://faculty.rmwc.edu/tmichalik/images/Helmholtzcrop. jpg • Hermann Helmholtz (alemán, 1821 – 1894), gran fisiólogo y físico que desarrolló como ninguno otro una gran variedad de trabajos. Llegó a ser el físico más prestigioso de su época. • En 1850 logró determinar por medio de su miógrafo pendular la velocidad de propagación del impulso nervioso en la rana y en el hombre, encontrando que estos impulsos no se transmitían instantáneamente. • En el mismo año inventó el oftalmoscopio que permite iluminar el interior del ojo. http://www.eyeantiques.com/ • Entre las múltiples contribuciones a la física, la más importante es el haber reconocido la universalidad del principio de la energía y haberlo presentado con rigor matemático. Concluyó que el trabajo mecánico, los cambios químicos y los efectos térmicos, son fenómenos equivalentes y transformables entre sí, proponiendo en su hipótesis la conservación de la fuerza. • Energía Libre de Helmholtz • Señala “Un sistema aislado conserva constante su energía total, cualesquiera que sean los cambios que sufran las energías parciales del sistema.” En su análisis llega a “la imposibilidad del perpetuum mobile, comprobada por los fracasos de todas las tentativas para construir la utópica máquina productora de movimientos eternos.” http://www.doktorovich.info/forums/index.php?s= 8a5c9b5db18b90e92c56ba00717907ab&showtopic =88&st=0&#entry141 • CLAUSIUS Y LA ENTROPÍA http://www.a-if.it/STORIA/Immagini/sito%20aif%20storia%20della%20fisica /Clausius1.jpg • La ley de conservación de la energía o primera ley de la termodinámica se refiere a que en un proceso la energía se conserva, pero no dice en que sentido se produce dicho proceso. • Rudolf Clausius (alemán, 1822 – 1888), tiene un papel fundamental en el desarrollo de las ideas que comenzaron con Nicolás Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832) y terminaron las investigaciones de Boltzmann. Carnot http://upload.wikimedia.org/wikipe dia/sl/thumb/e/eb/Nicolas_Leonard _Sadi_Carnot.jpg/200pxNicolas_Leonard_Sadi_Carnot.jpg Boltzmann http://www.astrocosmo.cl/biografi/bl_boltzmann.htm • En 1824 Carnot señaló la importancia de las diferencias producción de vapor. Clausius irreversibilidad térmicas. de temperatura en la trabajo por máquinas de centró su atención en la de las transformaciones http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Images/carnot.gif • Clausius agrega que para hacerlo pasar de temperaturas inferiores a otras superiores es necesario hacer un trabajo por lo menos igual a aquel que produciría el correspondiente proceso inverso. En los procesos reales que son irreversibles, sólo una fracción de la totalidad del calor puede transformarse en trabajo. Al tratar matemáticamente el tema, Clausius observó la existencia de un función igual al cociente de la cantidad de calor participante dividida por la temperatura absoluta. δQ/T. En los procesos reversibles (ideales) está magnitud es cero, mientras que en los procesos reales es positiva. En 1855 Clausius señaló que esta cantidad correspondía al cambio de entropía Prueba del Teorema de Clausius http://theory.ph.man.ac.uk/~judith/stat_therm/node3 0.html • El crecimiento de la entropía equivale a la incapacidad del sistema para futuras transformaciones. La cantidad de energía permanece constante, pero su calidad (transformabilidad) se va perdiendo. Clausius señaló que la entropía era una medida de la extensión en que la energía podía convertirse en trabajo. Mientras más alta la entropía, menor es la cantidad de energía para tal conversión. • GIBBS Y EL EQUILIBRIO QUÍMICO http://www.corrosiondoctors.org/Biographies/GibbsBio.htm • JOSIAH WILLARD GIBBS (norteamericano, 1839 – 1903). Este gran físico- químico desarrolló las aplicaciones de la termodinámica a la química. Entre 1876 y 1878 publicó varios artículos en “Transactions of the Connecticut Academy of Sciences.” http://www.yale.edu/physics/news/Gibbs-stamp.jpg • En estos artículos él trata con los principios de la termodinámica tal como habían sido trabajados por Carnot, Joule, Helmholtz y Kelvin. El aplica dichos principios mediante un tratamiento matemático a las reacciones químicas. En estos estudios introduce los conceptos de energía libre y potencial químico. En estos trabajos también Gibbs trató el equilibrio entre diferentes fases (sólida, líquida y gas). El encontró, por ejemplo, que para un número dado de fases y componentes, el número de maneras (grados de libertad) en la cual la temperatura, la presión o la concentración podían variarse de acuerdo con una ecuación (llamada la regla de las fases). http://joule.qfa.uam.es/beta-2.0/temario/tema5/diagramafases.jpg • Las grandes contribuciones de Gibbs fueron poco conocidas principalmente por dos razones: (a) los grandes científicos europeos casi no leían revistas americanas; (b) sus tratamientos matemáticos fueron quizás muy elevados para los químicos que los vieron. Maxwell se dio cuenta de la importancia de los trabajos de Gibbs, pero murió en 1879 muy cerca de la aparición de estos artículos. Recién en los 1890 Gibbs fue descubierto en Europa, cuando Ostwald los tradujo al alemán en 1892 y por Le Chatelier al francés en 1899. Ostwald http://www.nobelpreis.org/chemie/ima ges/ostwald.jpg Le Chatelier http://www.engrlib.uc.edu/science/scient ists/chatelier.jpg • FÍSICA ESTADÍSTICA • Los fundadores de la física estadística son James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann (1844 – 1906), Josiah Williard Gibbs (1839 – 1903) y Albert Einstein. Algunos incluyen a Rudolf Clausius (1822 – 1888). Maxwell http://www.physik.unifrankfurt.de/~jr/gif/phys/maxwell.jpg Boltzmann Gibbs http://www.astrocosmo.cl/biografi/bl_boltzmann.htm http://www.corrosiondoctors.org/Biographies/GibbsBi o.htm Einstein http://hep.fi.infn.it/wyp2005/img/einstei n.jpg Clausius http://www.a-if.it/STORIA/Immagini/sito%20aif%20sto ria%20della%20fisica/Clausius1.jpg • La física estadística describe las propiedades macroscópicas de sistemas formados por un número grande de átomos o moléculas. La física estadística surgió en el siglo XIX de la teoría cinética de los gases. El propósito era proporcionar una interpretación microscópica (atómica o molecular) de las leyes de la termodinámica. En términos más concretos, los objetivos más importantes de la física estadística incluyen: (a) encontrar expresiones para magnitudes macroscópicas (P, T, U, S, etc), en términos de propiedades microscópicas como la masa, la velocidad molecular, etc.; (b) deducir ecuaciones de estado para distintas situaciones; (c) determinar magnitudes termodinámicas que se miden experimentalmente en función de constantes microscópicas fundamentales. http://www.unizar.es/lfnae/luzon/CDR3/images/gas.jpg • Maxwell contribuyó a estos objetivos al obtener una fórmula estadística para la distribución de velocidades en un gas a presión uniforme. Obtuvo, en otras palabras, una función de distribución. Esta función sería refinada por Boltzmann, quien presentó una interpretación estadística de la entropía (introducida por Clausius). Al referirse a estos desarrollos, Gibbs señaló en 1889: “Clausius se centró en los valores medios de diversas cantidades que varían enormemente en el tiempo o espacio más pequeño que podemos apreciar. Maxwell se ocupó de la frecuencia relativa de los diversos valores que tienen estas cantidades. En esto fue seguido por Boltzmann. Cuando leemos a Clausius, parece que estamos leyendo mecánica; cuando leemos a Maxwell, y mucho de lo más valioso del trabajo de Boltzmann, parece más bien que estamos leyendo teoría de probabilidades. No hay duda de que la manera más amplia en que Maxwell y Boltzmann plantearon los problemas de la ciencia molecular les permitió obtener en algunos casos una respuesta más satisfactoria y completa, incluso para aquellas cuestiones que a primera vista no parecían necesitar de un tratamiento tan amplio.” Gibbs http://www.corrosiondoctors.org/Biographies/GibbsBi o.htm