La
identificación definitiva del fenómeno del calor con el movimiento se realiza
en la teoría cinético-molecular de los gases, como un conjunto de partículas o
moléculas en movimiento de acuerdo con
la teoría atómica de la materia. Daniel Bernoulli decía que el movimiento de
las partículas de un gas podía explicar su presión y temperatura. Lo propuso en
1738 en su Hidrodinámica.
Hacia 1848
Joule había presentado un trabajo sobre la teoría cinética de los gases. Joule consideró un gas formado por moléculas
confinadas en cierto volumen que se movían con cierta velocidad pero que no
colisionaban entre sí. De esta forma la presión viene dada por el choque
elástico de las moléculas con las paredes del volumen y la temperatura es una
medida de la velocidad de las moléculas con las paredes del volumen y la
temperatura es una medida de la velocidad de las moléculas.
Clausius,
hacia 1857, ya había formulado matemáticamente la teoría cinética de los gases,
sin explicar la estadística, establecía que las velocidades de las partículas
de un gas debían variar mucho entre sí.
James C.
Maxwell (1831-1879) es considerado uno de los grandes físicos por sus
contribuciones a la termodinámica y al electromagnetismo. Su aportación
principal a la termodinámica consistió en la aplicación de la estadística a la
teoría cinética de los gases, contenida en Illustrations
of dynamical theory of gases (1860, Ilustraciones de la teoría dinámica de
los gases). En esta obra Maxwell propuso que las propiedades de un gas se
pueden deducir del movimiento de sus partículas.
Maxwell
propuso por primera vez una expresión para la distribución estadística de las
velocidades de las moléculas de un gas. El número de moléculas (n) de masa (m)
contenido en un elemento de volumen (dV), cuya velocidad es cercana a una dada
(v) tiene una distribución exponencial.
Donde “k” es
una constante, llamada constante de Boltzmann, igual a 1,38x10-23 j/°k
Maxwell
estudio también las colisiones entre las moléculas y su relación con la viscosidad.
En 1871
propuso, llamado por Kelvin el “Demonio de Maxwell” que situado entre dos
compartimientos de un gas que están inicialmente a la misma temperatura, deja
pasar solo a las partículas rápidas en una dirección, separando así a las
rápidas de las lentas y produciendo que un compartimiento se caliente y el otro
se enfríe. Esto parece violar la segunda ley de la termodinámica, ya que
aparentemente sin gastar energía el estado final está más ordenado que el
inicial.
Ludwin E. Boltzmann
(1844-1906) Sus contribuciones a la teoría cinética de los gases decía que el
desarrollo de la distribución estadística de la energía de un gas entre sus
moléculas, presentada también por Maxwell, y conocida con los dos nombres.
Boltzmann
propuso por primera vez en 1877 en su obra Über
die Bezieung zwischen dem Zweiten Hauptsatze der mechanischen Wärmtheorie und
der Warhrscheinlichkeitregnung (Sobre la relación entre la segunda ley de
la teoría mecánica del calor y el calcula de probabilidades) que el concepto de
entropía es la medida del desorden de un sistema. Partió de la idea de que un
sistema macroscópico está formado por un conjunto de partículas, en principio,
puede estar en cualquier estado.
En este
sentido relaciono la entropía con la probabilidad de que un sistema esté en un
estado determinado, expresándolo con la ecuación, que después de su muerte se
grabaría en su tumba (S=k log p+b, donde p es la probabilidad de que el sistema
esté en un estado determinado y K la constante que hoy lleva su nombre). L
entropía crece con la probabilidad yes un índice del desorden del sistema.
De acuerdo
con Boltzmann, el pasar de un estado de desorden a uno de orden, sin aportación
de energía desde afuera del sistema, no es estrictamente imposible, sino
enormemente imposible. A partir de esta interpretación, la entropía se puede
aplicar a muchos otros procesos además de los térmicos, que estén relacionados
con el orden y el desorden.
Entre las primeras aplicaciones de la estadística
aplicaciones de la estadística a los problemas de la termodinámica se
encuentran, también, los trabajos de Gibbs quien puso las bases de la mecánica estadística
en su obra Elementary principles of
stadistical mechanics (1902, principios elementales de la mecánica estadística).
Gibbs propuso en 1901
expresiones para la probabilidad de que un sistema se encuentre en un estado de
energía dado, generalizando una expresión hallada por Boltzmann en 1868.
La mecánica
estadística, con las siguientes aportaciones, entre ellas las de Planck y las
de Einstein, constituye hoy un importante instrumento de la física, aplicable
tanto a sistemas clásicos como cuánticos.
