Mecánica Estadística

En el presente post se resume la interrelación entre las aportaciones de James Joule sobre la dinámica de los gases y las de James Clerke Maxwell y Ludwig Boltzmann sobre la mecánica estadística. Dicha interrelación es en realidad un proceso de descubrimiento y evolución de los conocimientos relacionados con el interior de la materia y muestra cómo se fueron perfeccionando dichos conocimientos a través del tiempo y de las obras de científicos diversos. Es un proceso que ha tenido y tiene lugar de forma muy parecida en todos los descubrimientos científicos. Lo que un estudioso imagina e insinúa, otro lo demuestra y otro lo perfecciona. La mente humana avanza en la comprensión del fenómeno y a partir de ideas inicialmente imperfectas e incompletas se consiguen interpretaciones definitivas. El proceso general en este caso, al que nos estamos refiriendo en los últimos posts, es el de la formulación de las leyes de la termodinámica.

Mecánica Estadística
Ya se ha dicho que Joule había calculado años antes de 1859, cuando Maxwell dio a conocer los resultados de sus trabajos sobre el movimiento de las partículas de un gas, la velocidad de las moléculas de un gas en unas condiciones determinadas de presión y temperatura. Clausius su vez había introducido la idea de recorrido libre medio de una molécula, ya que las moléculas no se desplazan sin desviaciones sino que chocan una y otra vez entre sí y saltan en distintas direcciones. El recorrido libre medio es la distancia que recorre una molécula entre dos choques sucesivos con otras.

Maxwell, el gran creador de las ecuaciones de los campos electromagnéticos a las que nos referiremos más adelante, trabajó previamente, como decimos, en la teoría cinética de los gases y colaboró con Boltzmann en la formulación de la teoría de la mecánica estadística. A partir de 1859 demostró que la velocidad de las partículas de un gas se distribuían en torno a la velocidad media y calculó que la velocidad media de las moléculas contenidas en el aire a 15,5 ºC era de unos 458,72 m/seg y su recorrido libre medio de 1/175.984 de centímetro. Cálculos que permitieron deducir los choques por segundo que experimenta cada molécula, situándolos en unos 8.077.200.000.

Esto condujo a la explicación de la relación existente entre calor y movimiento y a determinar que la temperatura de un objeto es una medida de la velocidad media a la que se están moviendo los átomos y las moléculas que constituyen dicho objeto.

Las nuevas ideas permitieron explicar fenómenos como la viscosidad de los gases y el enfriamiento que se produce en ellos cuando se expanden (fenómeno que permitió a su debido tiempo la invención de los frigoríficos y refrigeradores). Cuando un gas aumenta su volumen por expansión se necesita hacer un trabajo para superar la atracción existente entre átomos y moléculas (atracción débil pero real) lo cual lleva a un frenado del movimiento de las partículas, es decir a un enfriamiento.

En estas cosas trabajaba también el austriaco Ludwig Boltzmann y los dos, Maxwell y él, colaboraron estrechamente hasta el punto de que la distribución probabilística de las velocidades de las moléculas de un gas en torno a su velocidad media es conocida hoy como distribución de Maxwell-Boltzmann.

Este último científico hizo muchas aportaciones importantes, aunque le costó que fueran aceptadas y parece, incluso, que eso le supuso la vida, ya que se suicidó en 1906, con sólo 62 años.

La mecánica estadística fue su máxima contribución a la ciencia. Según ella las propiedades globales de la materia, incluida la segunda ley de la termodinámica, se deducen de las propiedades combinadas de los átomos y de las moléculas, propiedades a su vez, que obedecen a sencillas leyes de la física y a la acción del azar, según explica John Gribbin en el libro que hemos utilizado ampliamente en las explicaciones dadas en los últimos posts.

La existencia de energía en nuestro mundo y su potencialidad para ser transformada en trabajo, con referencia en el caso de la termodinámica, al calor, que es una forma determinada de energía, y a su trasformación en movimiento y en trabajo, que tanto dio de sí a lo largo de la Revolución Industrial, fue primero algo utilizado sin conocimiento profundo de sus leyes y posteriormente analizado y explicado científicamente a través de la naturaleza atómica de la materia. Un largo proceso mental que nos habla de cómo el hombre imagina e inventa por un lado, la naturaleza de su mundo, y por otro, cómo descubre y demuestra sus leyes. En paralelo además con el uso práctico y manual de todo ello. Mente, racionalidad, hechos, aplicaciones y ciencia (es decir, y en relación con esto último, fenómenos de la naturaleza, análisis y demostración) que se interrelacionan para dar de sí a lo que somos.

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Doctor Ingeniero del ICAI y Catedrático de Economía Aplicada, Adolfo Castilla es también Licenciado en Económicas por la Universidad Autónoma de Madrid, Licenciado en Informática por la Universidad Politécnica de Madrid, MBA por Wharton School, Master en Ingeniería de Sistemas e Investigación Operativa por Moore School (Universidad de Pennsylvania). En la actualidad es asimismo Presidente de AESPLAN, Presidente del Capítulo Español de la World Future Society, Miembro del Alto Consejo Consultivo del Instituto de la Ingeniería de España, Profesor de Dirección Estratégica de la Empresa en CEPADE y en la Universidad Antonio de Nebrija.

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