GUIA # 4

¿COMO ENTENDER LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MATERIA PARA COMPRENDER SU CONTRIBUCIÓN EN EL DISEÑO DE MAQUINAS  QUE GENERAN PROGRESO Y AVANCE EN LA CIENCIA?

 Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron siendo muy útiles para el desarrollo de la vida del hombre.

Creemos que la termodinámica es un caso muy especial debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad los estudios sobre el perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen siendo de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta actualidad como la contaminación.

El origen fue sin lugar a dudas la curiosidad que despertara el movimiento producido por la energía del vapor de agua.

Su desarrollo fue tomando como objetivo principal el perfeccionamiento de las tecnologias aplicadas con el fin de hacer mas facil la vida del hombre, reemplazando el trabajo manual por la máquina que facilitaba su realización y lograba mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la economía, por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del interior de las minas y el transporte.

Mas tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad de lograr un conocimiento profundo y acabado de las leyes y principios que regían las operaciones realizadas con el vapor.

El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de recursos se amplía en la medida en que se incorporan nuevas áreas como las referentes a los motores de combustión interna y últimamente los cohetes. La construcción de grandes calderas para producir enormes cantidades de trabajo marca también la actualidad de la importancia del binomio máquinas térmicas-termodinámica.

En resumen: en el comienzo se partió del uso de las propiedades del vapor para succionar agua de las minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr las máximas potencias con un mínimo de contaminación y un máximo de economía.

La etapa empírica

Los orígenes de la termodinámica nacen de la pura experiencia y de hallazgos casuales que fueron perfeccionándose con el paso del tiempo.

Algunas de las máquinas térmicas que se construyeron en la antigüedad fueron tomadas como mera curiosidad de laboratorio, otros se diseñaron con el fin de trabajar en propósitos eminentemente prácticos. En tiempos del del nacimiento de Cristo existian algunos modelos de máquinas térmicas, entendidas en esa época como instrumentos para la creación de movimientos autónomos, sin la participación de la tracción a sangre.

El ingenio más conocido por las crónicas de la época es la eolipila de Herón que usaba la reacción producida por el vapor al salir por un orificio para lograr un movimiento. Esta máquina es la primera aplicación del principio que usan actualmente las llamadas turbinas de reacción.

La historia cuenta que en 1629 Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que salía por un caño. No se sabe a ciencia cierta si la máquina de Branca se construyó, pero, es claro que es el primer intento de construcción de las que hoy se llaman turbinas de acción.

La mayor aplicación de las posibilidades de la máquina como reemplazante de la tracción a sangre consistía en la elevación de agua desde el fondo de las minas. Por ello la primera aplicación del trabajo mediante la fuerza del vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de Savery.

La máquina de Savery consistía en un cilindro conectado mediante una cañería a la fuente de agua que se deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba la llave de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor se condensaba se producía un vacío que permitía el ascenso del agua.

La etapa tecnológica.

Según lo dicho la bomba de Savery no contenía elementos móviles, excepto las válvulas de accionamiento manual, funcionaba haciendo el vacío, de la misma manera en que ahora lo hacen las bombas aspirantes, por ello la altura de elevación del agua era muy poca ya que con un vacío perfecto se llegaría a lograr una columna de agua de 10.33 metros, pero, la tecnología de esa época no era adecuada para el logro de vacios elevados.

El primer aparato elemento que podríamos considerar como una máquina propiamente dicha, por poseer partes móviles, es la conocida como máquina de vapor de Thomas Newcomen construida en 1712. La innovación consistió en la utilización del vacío del cilindro para mover un pistón que a su vez proveía movimiento a un brazo de palanca que actuaba sobre una bomba convencional de las llamadas aspirante-impelente.

Podemos afirmar que es la primera máquina alternativa de la que se tiene conocimiento y que con ella comienza la historia de las máquinas térmicas.

Las dimensiones del cilindro, órgano principal para la creación del movimiento, eran: 53,3 cm de diámetro y 2,4 metros de altura, producía 12 carreras por minuto y elevaba 189 litros de agua desde una profundidad de 47,5 metros.

El principal progreso que se incorpora con la máquina de Newcomen consiste en que la producción de un movimiento oscilatorio habilita el uso de la máquina para otros servicios que requieran movimiento alternativo, es decir, de vaivén.

En esa época no existían métodos que permitieran medir la potencia desarrollada por las máquinas ni unidades que permitieran la comparación de su rendimiento, no obstante, los datos siguientes dan una idea del trabajo realizado por una máquina que funcionó en una mina en Francia, contaba con un cilindro de 76 cm de diámetro y 2,7 metros de altura, con ella se pudo completar en 48 horas una labor de desagote que previamente había requerido una semana con el trabajo de 50 hombres y 20 caballos operando en turnos durante las 24 horas del día.

Etapa científica.

Sadi Carnot (1796-1832) es el fundador de la termodinámica como disciplina teórica, escribió su trabajo cumbre a los 23 años. Este escrito estuvo desconocido durante 25 años hasta que el físico Lord Kelvin redescubriera la importancia de las propuestas contenidas en él.

Llamó la atención de Carnot el hecho de que no existieran teorías que avalaran la propuestas utilizadas en el diseño de las máquinas de vapor y que todo ello dependiera de procedimientos enteramente empíricos. Para resolver la cuestión propuso que se estudiara todo el procedimiento desde el punto de vista más general, sin hacer referencia a un motor, máquina o fluido en especial.

Las bases de las propuestas de Carnot se pueden resumir haciendo notar que fue quien desarrolló el concepto de proceso cíclico y que el trabajo se producía enteramente "dejando caer" calor desde una fuente de alta temperatura hasta un depósito a baja temperatura. También introdujo el concepto de máquina reversible.

El principio de Carnot establece que la máxima cantidad de trabajo que puede ser producido por una máquina térmica que trabaja entre una fuente a alta temperatura y un depósito a temperatura menor, es el trabajo producido por una máquina reversible que opere entre esas dos temperaturas. Por ello demostró que ninguna máquina podía ser más eficiente que una máquina reversible.

A pesar que estas ideas fueron expresadas tomando como base la teoría del calórico, resultaron válidas. Posteriormente Clausius y Kelvin, fundadores de la termodinámica teórica, ubicaron el principio de Carnot dentro de una rigurosa teoría científica estableciendo un nuevo concepto, el segundo principio de la termodinámica.

Carnot también establece que el rendimiento de cualquier máquina térmica depende de la diferencia entre temperatura de la fuente mas caliente y la fría. Las altas temperaturas del vapor presuponen muy altas presiones y la expansión del vapor a bajas temperaturas produce grandes volúmenes de expansión. Esto producía una cota en el rendimiento y la posibilidad de construcción de máquinas de vapor.

En esta época todavía tenía vigencia la teoría del calórico, no obstante ya estaba germinando la idea de que esa hipótesis no era la adecuada, en el marco de las sociedades científicas las discusiones eran acaloradas.

2. ¿COMO COMPRENDER DE MANERA ACTIVA Y PRACTICA LOS CAMPOS ELECTROSTÁTICOS Y LOS AVANCES EN LA PRODUCCIÓN DE GRAN CANTIDAD DE DISPOSITIVOS QUE HAN CONTRIBUIDO AL DESARROLLO DE LA HUMANIDAD?

 Los campos eléctricos y magnéticos están presentes en nuestro entorno desde el principio de los tiempos. El desarrollo humano tanto en el ámbito social como laboral y tecnológico, ha llevado a un aumento de las fuentes emisoras de campos electromagnéticos en nuestra sociedad. Cada vez disponemos de más aparatos en nuestro hogar (hornos microondas, teléfonos móviles, etc.), que generan este tipo de emisiones y la exposición a ellas ha hecho aparecer algunas dudas acerca de los posibles efectos perjudiciales para nuestra salud. En concreto, la Asociación Española Contraer Cáncer (aecc) ha detectado estas dudas en un sector de reciente aparición: la telefonía móvil, y su efecto en el desarrollo de enfermedades oncológicas. Los campos eléctricos y magnéticos son fenómenos naturales que han Estado presentes en nuestro medio ambiente desde siempre. En el entorno en que vivimos, hay campos electromagnéticos por todas partes. Aunque algunos de estos campos son visibles, por ejemplo el arco iris, la mayoría de ellos son invisibles para el ojo humano. Se producen campos eléctricos por el depósito de cargas eléctricas en determinadas zonas de la atmósfera por efecto de las tormentas. El campo magnético terrestre provoca la orientación de las brújulas en dirección Norte-Sur. Sin embargo, el avance del conocimiento de la humanidad en el sigloXX se ha traducido en un aumento de los campos electromagnéticos debido a la demanda de electricidad, las tecnologías inalámbricas y los cambios laborales y sociales. Todos estamos rodeados de un entramado de campos eléctricos y magnéticos en el hogar y en el trabajo. Los campos electromagnéticos se definen como radiación, que es equivalente a decir que es energía transmitida por ondas. Son una combinación de ondas eléctricas y magnéticas que se desplazan simultáneamente. Se propagan a la velocidad de la luz, y están caracterizados por una frecuencia y su correspondiente longitud de onda; estas dos características están directamente relacionadas entre sí: cuanto mayor es la frecuencia, más corta es la longitud de onda. La frecuencia es el número de oscilaciones de la onda por segundo, que se mide en hertzios (ciclo por segundo), y la longitud de onda es la distancia entre una onda y la siguiente.