Historia Del Primer Principio de La Termodinamica

7/23/2019 Historia Del Primer Principio de La Termodinamica

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Revista Eureka sobre Enseanza y

Divulgacin de las Ciencias

E-ISSN: 1697-011X

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Asociacin de Profesores Amigos de la

Ciencia: EUREKA

Espaa

Furi-Gmez, Cristina; Solbes, Jordi; Furi-Mas, Carles

La historia del primer principio de la termodinmica y sus implicaciones didcticas

Revista Eureka sobre Enseanza y Divulgacin de las Ciencias, vol. 4, nm. 3, septiembre, 2007, pp.

461-475

Asociacin de Profesores Amigos de la Ciencia: EUREKA

Cdiz, Espaa

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=92040306

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Rev. Eureka. Ense. Divul. Cien., 2007, 4(3), pp. 461-475 LA CIENCIA AYER Y HOY

LA HISTORIA DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINMICA Y

SUS IMPLICACIONES DIDCTICAS

Cristina Furi-Gmez1, Jordi Solbes2y Carles Furi-Mas2

1IES El Clot (Valenia!2"e#artamento de "id$tia de las ienias e%#erimentales, &ni'ersitat de Valnia

[Recibido en Abril de 2007. Aceptado en Junio de 2007]

RESUMEN(Ingls)

En este traba)o se realiza una bre'e introduin *istria y e#istemol+ia delnaimiento de la termodin$mia omo ienia moderna Se muestra, as mismo, omoesta *istoria #uede ontribuir a me)orar la ense.anza de la termodin$mia y asu#erar al+unas di/iultades de los estudiantes

Palabras Clave:*istoria de la ienia0 ense.anza y a#rendiza)e de la termodin$mia

INTRODUCCIN

La introduccin del primer principio de la Termodinmica y/o de los principalesconceptos implicados como el traba!o" el calor" la ener#$a interna y la entalp$a% en laense&an'a con(encional de la )u$mica se *ace sin tener en cuenta la *istoria de lasciencias y los resultados de la in(esti#acin didctica sobre los nue(os modelos deaprendi'a!e de orientacin constructi(ista +uri,-me' et al." 200%. so *ace ue nose 1a(ore'can en los estudiantes de bac*illerato y uni(ersitarios la comprensin de losintercambios ener#ticos en los procesos 1$sico,u$micos 3int" 45546 +uri,-me'"200%.

ste traba!o tratar de clari1icar cmo se *an construido los conocimientostermodinmicos y se *an aplicado en las reacciones u$micas. 8e *ar un n1asis

especial en los #roblemas one#tuales y e#istemol+ios ue la ienia *a tenido uesu#erar #ara lle+ar a inter#retar los interambios ener+tios en los #roesos /sios yumios

!RE"E #UNDAMENTACIN HISTRICA Y EPISTEMOL$ICA DEL NACIMIENTODE LA TERMODINMICA COMO CIENCIA MODERNA

La termodinmica nace" a principio del 8. 9:9" como una #ran s$ntesis ue trat deuni1icar la e;plicacin de las di1erentes 1uer'as introducidas en los procesosmecnicos" elctricos" u$micos" trmicos y ma#nticos. sta s$ntesis se suele

Revista Eureka s!re Ensean"a # Divul$a%i&n 'e las Cien%ias


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C F&3I4-G4ME5, J S678ES, C F&3I4-M9S

comparar con la *ec*a por la mecnica ne


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s a principios de los a&os 4?0 cuando Joule y Iayer establecen una relacincuantitati(a de eui(alencia entre el traba!o y el calor" y comien'a a introducirse el

concepto de ener#$a di1erencindolo de 1uer'a y a abandonarse el modelo del calrico.s interesante recordar ue la principal obra de Iayer" Comentarios sobre las /uerzas(ener#$as! de naturaleza inor+$niaapareci en9nnalen der C*emie und =*armaieyten$a como ob!eti(o e;plicar porue el calor espec$1ico a (olumen constante de los#ases era menor ue el calor espec$1ico a presin constante. sta e;plicacin consist$aen aceptar ue en la e;pansin trmica de un #as a presin constante" el calorsuministrado en e;ceso se con(ert$a en traba!o *ec*o por el #as al e;pansionarsecontra la presin atmos1rica Arons" 4570%. =asndose en esta relacin Iayer obtu(oen 4?0 un (alor del eui(alente mecnico del calor ue result muy seme!ante alobtenido posteriormente por Joule por di1erentes mtodos elctricos y mecnicos yaconocidos 4?F%. n la ense&an'a *abr ue prestar su1iciente atencin a estareali'acin de traba!o cuando interaccionan mecnicamente un sistema como" pore!emplo" el #as cerrado en una !erin#a a presin% y un se#undo sistema como" pore!emplo" el medio atmos1rico ue tambin est empu!ando.

s en esta dcada de 4?0 cuando la ciencia deri(a de la relacin entre traba!o ycalor" por primera (e'" el one#to de ener+a como una 1uncin #eneral de lossistemas ue les permite *acer traba!o. Me1inicin limitada" de entrada" a la D1uer'a(i(aE ener#$a cintica% y a los cambios mecnicos y ue" ir e(olucionando *astalle#ar a de1inirla como la capacidad de los sistemas para *acer trans1ormaciones ,enparticular" *aciendo traba!o y/o trans1iriendo calor, se#@n el primer principio de latermodinmica. l concepto ener#$a se con(ierte en estructurante pues sir(e para

e;plicar" en #eneral" las di1erentes interacciones ue se *ab$an ido introduciendo porlas distintas ciencias mecnica" electricidad" ma#netismo y u$mica% y cualuier tipode cambio.

n esta nue(a ciencia se aplica la teor$a matemtica de los campos ,ya ideada en4?44 por 8imon,Menis 3oisson 47?4,4?0%" entre otros, primero al caso del campo(ectorial de 1uer'as elctricas ,ue *ab$a iniciado en 4?2H intuiti(amente de manera#eomtrica Iic*ael +araday 4754,4?7%, y" despus" a los otros tipos deinteracciones. A estos campos de 1uer'as se asociaban los respecti(os camposescalares correspondientes a las di1erentes ma#nitudes ue se introducen ener#$aspotenciales #ra(itatoria" elstica y elctrica" ener#$as ma#ntica y u$mica%. Las

trans1ormaciones de unas 1ormas de ener#$a en otras en un sistema aislado o entresistemas ue interaccionan condu!o al establecimiento del principio de conser(acin dela ener#$a 1ormali'ado en 4?7 por ermann (on elm*olt' 4?24,4?5%" inicindoseas$ el ori#en de la termodinmica como s$ntesis de las dos ciencias" la mecnica y elcalor. 8in embar#o" uedaban problemas tericos por resol(er. As$" en 4?5" illiamT*omson" lord Nel(in 4?2,4507%" *ace patente la contradiccin entre los resultadose;puestos por Karnot y los dados por Joule. Oste demostraba ue el calor se pod$aproducir de manera ina#otable *aciendo un traba!o de 1riccin y ue por lo tanto laener#$a se de#radaba" mientras ue Karnot supon$a ue el calrico siempre seconser(aba. n el 1ondo" se estaba planteando el con1licto entre la teor$a del calrico"en la ue se basaba Karnot y la teor$a cintica del calor" de1endida por Joule y los

cient$1icos contemporneos.


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C,nr&b.+&n *e la Ter/,*&n7/&+a a la &ner'rea+&n energ&+a *e lasrea++&,nes8.2/&+as: el +,n+e', *e enal'2a *e .n s&se/a0

A*ora bien" tambin *ay ue tener en cuenta las aportaciones de la Drama u$micaE ala construccin de la Termodinmica #eneral durante todo el si#lo 9:9 ue tienen por1inalidad describir Dla ener#$a u$micaE y relacionarla con la 1amosa Da1inidadE de lassustancias para e;plicar su reacti(idad" aunue ya se *ab$a introducido esa idea ensi#los anteriores" por e!emplo" en la e;plicacin del 1enmeno del 1ue#o.

l 1ue#o 1ue considerado desde muy anti#uo como uno de los elementos pormpdocles y posteriormente por Aristteles. n 44" sir Robert =oyle 427,454%se opuso a esta idea basndose en sus estudios del aire y del nitro ue discuti con8pino'a. 8in embar#o" la idea del 1ue#o continuaba siendo interpretada por la teor$adel 1lo#isto de 8ta*l 457%" como materia del 1ue#o por su disc$pulo =oer*aa(e

47F2% e" incluso" como sustancia simple" el calrico" en el


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interna ue ya *emos (isto" no pas lo mismo con el producto 3C ue tambin 1ormaparte del concepto de entalp$a.

ay ue re(isar las 1uentes y anali'ar lo ue di!eron termodinmicos como Mu*em4540% cuando de1inen la idea de potencial termodinmico. n la primera leccin delmanual antes mencionado" Mu*em de1ine" en #eneral" lo ue es un #otenial de las/uerzas ue act@an sobre un sistema" >" de esta maneraP 7orsue le tra'ail des/ores a##liues A un systme est entirement dtermin #ar la onnaissane delBtat initial et de lBtat /inal, on #eut, A *aue tat du systme, /aire orres#ondreuna ertaine +randeur, , 'ariable dBun tat A lBautre0 le tra'ail e//etu au oursdBune ertaine modi/iation est +al A lBe%s de la 'aleur initiale de sur la 'aleur

/inale de ette mme +randeur (T =0- 1)3?5.

s decir" en lu#ar de decir ue" en estos casos" el traba!o de las 1uer'as e;terioresdepende del estado inicial y 1inal del sistema" el autor a1irma ue estas /uerzasadmiten un #otenial A continuacin en la p#ina 45 de este manual se aborda unapartado ue titula DFuerzas ue admiten un #otenial en 'irtud de restriionesim#uestas al sistema: donde se indica ue si *ay un sistema de 1uer'as ue" en#eneral" no admita nin#@n potencial puede" en determinados casos" admitir uno"debido a ue se le imponen determinadas restricciones. Mespus" el autor pasa ae;poner el caso del potencial 3.C diciendoP Q7orsue les /ores ui solliitent unsystme se rduisent A une #ression normale, uni/orme et onstante, =, es /oresadmettent le #otentielH = P.V, ou Vest le 'olume 'ariable du systme3@5

n resumen" el si#ni1icado cualitati(o atribuido a la entalp$a de un sistema ue (a a

interaccionar con otro ser$a el de un potencial ener#tico suma de otros dospotenciales" uno deri(ado de su ener#$a interna U% y un se#undo" el potencial P".ste @ltimo potencial supone admitir la posibilidad de *acer traba!o de compresin,e;pansin sobre el sistema por otro e;terno por e!emplo" el entorno atmos1rico%"siempre ue la presin sea constante.

C,nr&b.+&n /e+an&+&sa *e !,lB/ann a la Ter/,*&n7/&+a

n la se#unda mitad del 9:9" los termodinmicos se *ab$an di(idido en dos #rupos.Los partidarios de la termodinmica #eneral macroscpica ue no participaba de la*iptesis atmica de la materia y los de la termodinmica especial o atom$stica. 3ero

estas posiciones no eran irreconciliables. l propio Klausius adopt *iptesisatom$sticas se#@n con(iniere o no a la teor$a ue estaba desarrollando =olt'mann"45?%. Gno de los principales tericos de la termodinmica atom$stica 1ue el 1$sicoaustriaco Lud


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;IS 455?6 +uri etal." 20006 Ioreno" 200%.

La escuela ener#etista" representada por 1$sicos como Mu*em y por u$micos comoUstins en las p#inas y 7 de su 1amoso libro 7a se+unda ley (1LL2!H

7os ob)eti'os y atitudes ado#tados #or Carnot y 8oltzmann om#endian latermodin$mia Carnot 'ia) *aia la termodin$mia desde el mundo de las m$uinas,smbolo de la soiedad industrial de su #oa, y #retendi me)orar su rendimiento8oltzmann, en ambio, lo *izo desde el $tomo, smbolo del naiente /undamentalismoient/ioH bus dilatar nuestra om#rensin del mundo *asta los ni'eles m$s#ro/undos 7a termodin$mia si+ue abarando *oy ambos en/oues y re/le)aob)eti'os, atitudes y a#liaiones om#lementarias >aida de la tosa m$uina, *aaduirido tal re/inamiento ue se *a on'ertido en instrumento de e%uisitadeliadeza 6u#a todos los $mbitos de inters *umano y ubre la or+anizain y el

des#lie+ue de ideas y reursos, en #artiular de las ideas aera de la naturaleza del


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ambio en el mundo ue nos rodea =oas ontribuiones *an enriueido tantonuestro onoimiento omo esta *i)a de la m$uina de 'a#or y del $tomo

3recisamente esta complementariedad entre las (isiones macroscpica y microscpicade la ener#tica de los procesos 1$sicos y u$micos es uno de los aspectos a destacaren este traba!o porue muy posiblemente 1acilit la comprensin de estosconocimientos cient$1icos. n nuestra *iptesis se supone ue las relaciones macro,micro estarn ausentes en la ense&an'a actual de la Termodinmica y" por lo tanto"no saldr al paso de las di1icultades ue" en este sentido" tendrn los estudiantes.

IMPLICACIONES DIDCTICAS

Gn aspecto al ue la didctica de las ciencias le est dando #ran relie(e son las

(isiones de1ormadas ue tenemos los pro1esores sobre la ciencia y como seconstruyen los conocimientos cient$1icos ue tienen importancia porue se suelentransmitir consciente o inconscientemente en la ense&an'a de las ciencias" como *anpuesto de mani1iesto di1erentes in(esti#adores Musc*l 455H6 -il" 4556 IcKomas"20006 +ernnde' et al." 20026+uri et al." 200H%. Bos detendremos a anali'ar cmoestas (isiones tambin aparecen en la ense&an'a de la termodinmica y como la*istoria de la ciencia puede contribuir a superarlas 8olbes y Tra(er" 455 y 200F%P

7a 'isin desonte%tualizada soialmente de la ieniaue *a mostrado el mo(imientoin(esti#ador de las interacciones KT8A" su#iere la necesidad de *acer una educacincient$1ica ms social ue muestre los problemas del desarrollo tecnocient$1ico y de sus

consecuencias tanto positi(as como ne#ati(as. sta conte;tuali'acin de la ense&an'acient$1ica en los problemas anteriores y actuales de la comunidad cient$1ica y de lasociedad en la ue est inserta es necesaria para despertar el inters y la moti(acinde los estudiantes *acia las ciencias y su aprendi'a!e 8olbes y Cilc*es" 4557%.3recisamente en la ense&an'a de la termou$mica es 1cil encontrar situacionesproblemticas de inters personal y social ue pueden ir desde el papel de lasmuinas trmicas en la re(olucin industrial" la necesidad de entender su1uncionamiento para me!orar su ba!o rendimiento" como *icieron 8adi Karnot y otros"comprender ue los coc*es y las centrales trmicas" omnipresentes en la actualidadson muinas trmicas y estudiar u problemas *ay en el mundo con respecto a lasmismas incremento del e1ecto in(ernadero" llu(ia cida" smo#" etc%.

7a 'isin em#irista y ateriadel pro1esorado de ciencias bastante in(esti#ada en ladidctica Iatt*e


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CONCLUSIONES Y PERSPECTI"AS

emos (isto como la *istoria de las ciencias puede contribuir a me!orar la introduccindel primer principio de la Termodinmica y de los principales conceptos implicadoscomo el traba!o" el calor" la ener#$a interna y la entalp$a%" ya ue la ense&an'acon(encional de la termou$mica se *ace sin tener en cuenta dic*a *istoria.

Tambin *emos (isto como la *istoria de las ciencias puede contribuir a superar las(isiones de1ormadas ue tenemos los pro1esores la (isin desconte;tuali'adasocialmente de la ciencia" la (isin empirista y ateYrica" la (isin e;cesi(amente1ormalista de los conocimientos cient$1icos" la (isin a*istrica y aproblemtica en laintroduccin de los conceptos y teor$as cient$1icas" etc.%" ue tambin aparecen en laense&an'a de la termodinmica.

As$ mismo" esperamos ue la utili'acin de la *istoria de las ciencias 1a(ore'ca en losestudiantes de bac*illerato y uni(ersitarios la comprensin de los intercambiosener#ticos en los procesos 1$sico,u$micos.

3ara comprobarlo" y esta es la principal perspecti(a de este traba!o" *emos elaboradouna unidad didctica para la ense&an'a del primer principio de la termodinmica" ueten#a en cuenta las aportaciones de la *istoria de las ciencias y sus implicacionesdidcticas" desarrolladas en este traba!o" as$ como los resultados de la in(esti#acinen didctica de las ciencias sobre estrate#ias de ense&an'a" estamos aplicndola enclases de se#undo curso del bac*illerato cient$1ico o en cursos uni(ersitarios de laslicenciaturas de +$sica o )u$mica y e(aluando los lo#ros de aprendi'a!e. studio uenos ocupa en la actualidad.

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[1] Kiertos autores" en lu#ar de reser(ar un nombre particular a la ma#nitud G; pre1ierenconsiderar el producto E0U(E es el eui'alente me$nio del alor!" ue denominan ener#$apotencial del sistema en el estado 96 la ener#$a potencial es una ma#nitud de la misma especieue Te traba!o de las 1uer'as e;teriores% y (ener+a intia!" por tanto una ma#nitud ue semide en unidades de traba!o6 se puede decir ue la ener#$a potencial es el eui(alentemecnico de la ener#$a interna. Los mismos autores dan" en #eneral" a la 1uer'a (i(a (D se+nel autor!el nombre de ener#$a actual o ener#$a cintica" a la suma E0U9le dan el nombre

de ener#$a total del sistema en el estado ;.

[2]l (alor de la ener#$a interna del sistema depende de todas las propiedades ue caracteri'aneste estadoP 1i#uras de los di(ersos cuerpos ue componen el sistema" posiciones de unoscuerpos con relacin a los otros" temperatura" densidad" consistencia slida" l$uida o #aseosa"estado u$mico" ma#ntico" elctrico" de cada uno de ellos" etc.

[3]Kuando el traba!o de las 1uer'as aplicadas al sistema est enteramente determinado por elconocimiento del estado inicial y del estado 1inal" se puede *acer corresponder una ciertama#nitud" >" (ariable de un estado a otro" a cada estado del sistema6 el traba!o e1ectuado enel curso de una cierta modi1icacin es i#ual al e;ceso del (alor inicial de >sobre el (alor 1inal deesa misma ma#nitud T =>F >4)

[4]Kuando las 1uer'as ue impulsan un sistema se reducen a una presin normal uni1orme yconstante" P" estas 1uer'as admiten el potencialP >= P0"" donde "es el (olumen (ariable delsistema.


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