13.1: Introducción

Las dos últimas conferencias de este semestre son sobre la termodinámica, una rama sumamente importante de la física que se desarrolló a lo largo del siglo XIX, motivada en parte por el desarrollo de las máquinas de vapor que propiciaron la Revolución Industrial. Las carreras de Física estudiarán termodinámica mucho más extensamente en Física Universitaria III y cursos posteriores, mientras que las carreras de Ingeniería y Química la encontrarán también en cursos especializados en sus propias disciplinas.

Realmente no hay termodinámica escapatoria, pero tal vez te preguntes ¿por qué traerla aquí (en este curso, en este momento) en absoluto? La respuesta es doble:

• Desde el punto de vista del estudio de la energía y sus transformaciones, que ha sido uno de los temas principales de este curso, la termodinámica nos proporciona las últimas piezas faltantes: es aquí donde descubrimos qué es realmente la energía térmica, y en qué se diferencia de otras formas de energía (tanto es así, que nosotros decir que la energía se ha “disipado” o “perdido” cuando se convierte en energía térmica). También es aquí donde nos ocupamos de la otra manera en que la energía puede ser transferida de un sistema a otro (otro, es decir, que haciendo trabajo): esta es la “transferencia directa de energía térmica”, o lo que normalmente se llama un intercambio de calor.
• Desde el punto de vista del estudio del movimiento, que también ha sido otro tema corriente, la termodinámica también representa el siguiente paso lógico más allá de lo que hemos aprendido hasta ahora. Recordemos que comenzamos a mirar el movimiento de los objetos extendidos como si fueran simples partículas puntuales, moviéndose como un todo junto con su centro de masa, e introduciendo lentamente herramientas para hacer frente a tipos de movimiento más complejos: primero rotaciones corporales rígidas, luego deformaciones elásticas (ondas) en las que el constituyente partes de un objeto se mueven en relación entre sí de una manera que se ve “organizada” o sincronizada, desde una perspectiva macroscópica. Lo que se necesita a continuación es dar cuenta del movimiento aleatorio, a escala microscópica, de las partes más pequeñas (átomos o moléculas) que conforman un objeto extendido. Este movimiento está ocurriendo constantemente, y es un ingrediente clave de los conceptos de energía térmica y temperatura.

Conceptualmente, la termodinámica implica la introducción de dos nuevas cantidades físicas, temperatura y entropía. La temperatura se introducirá en esta conferencia, y la entropía en la siguiente. Es interesante señalar desde el inicio, sin embargo, que estas son muy distintas de todas las cantidades que hemos introducido en lo que va del semestre, de manera fundamental. En la física clásica, al menos, no hay dificultad para extender todas esas otras cantidades al estudio de las partes más pequeñas que componen un objeto: podemos hablar perfectamente de la posición, velocidad o energía de una molécula. Pero la temperatura y la entropía son cantidades estadísticas, que sólo se definen adecuadamente, desde un punto de vista fundamental, para una gran colección de subsistemas (pequeños): no tiene sentido hablar de la temperatura o la entropía de una sola molécula. Esto demuestra que realmente hubo un profundo cambio de perspectiva y metodología en la física clásica cuando se desarrolló la mecánica estadística (la parte de la física que proporciona una base microscópica para la termodinámica).