Nicolás Leonardo Sadi Carnot (1796

La primera ley de la termodinámica
Sadi Carnot
Nicolás Leonardo Sadi Carnot (1796-1832) nació y murió en medio de la turbulencia
política y una revolución científica. Hijo de un miembro del Directorio, fue educado en sus
primeros años por su propio padre, él mismo un notable científico, quien se retiró de la vida
pública cuando su hijo Sadi tenía 11 años de edad. Más tarde fue fugaz estudiante de ingeniería
militar consentido por el régimen napoleónico, ya que Lazare, su padre, fue ministro del Interior
con el Emperador durante los Cien Días, privilegios que vio desaparecer en octubre de 1815,
cuando sobrevino la Restauración.
Sus Réflexions, única obra suya publicada en vida, apareció en 1824 y apenas fue
comentada en su momento. En 1831 Sadi Carnot comenzó a estudiar las propiedades físicas de los
gases y vapores, especialmente la relación entre temperatura y presión. Los constantes llamados al
servicio de las armas habían minado su salud y en junio de 1832 contrajo fiebre escarlata; dos
meses después fue atacado por una epidemia de cólera. Carnot murió al día siguiente, a la edad de
36 años.
Aunque tuvo cierto reconocimiento mientras vivió, pasaron casi diez años desde su muerte
para que se revalorara su obra. Como era la costumbre, todos sus efectos personales, incluyendo la
mayoría de sus artículos, fueron quemados, de manera que sólo se conservan fragmentos de
artículos, apuntes de experimentos y notas incompletas. Fue hasta 1840-1850 que C. H. A.
Holtzman y William Thomson confirmaron y ampliaron las ideas expresadas por Sadi Carnot en
sus Réflexions. Allí, Camot plantea dos problemas muy importantes en el desarrollo de la
termodinámica y para la construcción de máquinas de vapor. ¿Existe un límite asignable a la
potencia motriz del calor y, por ende, al desempeño de las máquinas de vapor? ¿Hay agentes más
adecuados que el vapor para generar dicha potencia? Algunos ingenieros, a falta de un concepto
definido de lo que era un "agente adecuado", buscaban lo práctico, lo barato y lo seguro. El aire, el
ácido carbónico y el alcohol eran los agentes favoritos. Carnot estableció entonces tres premisas
para una nueva ciencia del calor. La primera fue la imposibilidad del movimiento perpetuo, un
principio bien establecido en la mecánica. La segunda se basaba en la dudosa teoría del calórico,
aunque en esa época no se contaba con otra. En su obra, Carnot trata al "calórico", es decir, al
calor como un fluido ingrávido que no podía ser creado ni destruido en proceso alguno. Según las
demostraciones de Carnot, esto suponía que la cantidad de calor absorbida o liberada por un
cuerpo en cualquier proceso depende sólo de los estados inicial y final de dicho cuerpo. La tercera
premisa indicaba que habrá potencia motriz siempre que exista una diferencia de temperatura. La
producción de potencia motriz se debía no al consumo real de "calórico" sino a su transporte de un
cuerpo caliente a uno frío. Carnot, al hacer una analogía con una noria o rueda hidráulica,
observaba que la potencia motriz debía depender tanto de la cantidad de calórico empleada como
del intervalo en el descenso de la temperatura.
Enseguida, Carnot refiere sus hallazgos acerca de la potencia motriz del calor.
Donde quiera que exista una diferencia de temperatura, donde quiera que pueda
restablecerse el equilibrio del calórico, puede también producirse potencia motriz. El vapor de
agua es un medio de realizar esta potencia, pero no es el único: todos los cuerpos de la naturaleza
pueden emplearse para este fin. Todos son susceptibles de cambio de volumen, de contracciones y
dilataciones sucesivas por las alternancia de calor y de frió; todos son capaces de vencer, en sus
cambios de volumen ciertas resistencias y de desarrollar así potencia motriz.
Un cuerpo sólido, una barra metálica, por ejemplo, que se calienta y se enfría, se dilata y
contrae en consecuencia, y puede mover cuerpos fijados a sus extremidades. Un líquido que se
calienta y se enfría, aumenta y disminuye de volumen y puede vencer obstáculos más o menos
grandes, opuestos a su dilatación. Un fluido aeriforme es susceptible de cambios considerables de
volumen por las variaciones de temperatura: si está encerrado dentro de un recipiente de
capacidad variable, tal como un cilindro provisto de un embolo, producirá movimientos de gran
extensión. Los vapores de todos los cuerpos susceptibles de pasar a1 estado gaseoso, del alcohol,
del mercurio, del azufre, podrían llenar la misma función que el vapor de agua. Éste, a1 calentarse
y enfriarse, produciría potencia motriz, a la manera de los gases permanentes, es decir, sin volver
jamás a1 estado liquido. La mayor parte de estos medios han sido propuestos, y muchos hasta
fueron ensayados, aunque sin éxito notable hasta ahora.
Hemos hecho notar que, en las máquinas de vapor, la potencia motriz se debe a un
restablecimiento del equilibrio en el cal6rico. Esto tiene lugar no sólo en las máquinas de vapor
sino también en toda maquina de combustión, es decir, en toda máquina donde el calor es el
motor. Es evidente que el calor puede ser una causa de movimiento s6lo en virtud de los cambios
de volumen o de forma que hace experimentar a los cuerpos. Estos cambios no se deben a una
constancia de temperatura sino a cambios en ella. Ahora bien, para calentar cualquier sustancia
hace falta un cuerpo más caliente; para enfriarla es necesario un cuerpo más frió. Entonces,
necesariamente se toma calórico a1 primero de estos cuerpos para transmitirlo a1 segundo por
medio de la sustancia intermediaria. Vale decir que se restablece o, por lo menos, se trata de
restablecer el equilibrio del calórico.
Es natural que nos hagamos aquí esta pregunta, a la vez curiosa e importante: ¿La potencia
motriz del calor es inmutable en cantidad o varía con el agente del cual echa mano para realizarla,
con su sustancia intermediaria elegida como sujeto de acci6n del calor?
Está claro que esta pregunta sólo puede formularse para una determinada cantidad de
calórico y para una determinada diferencia de temperatura. Tenemos, por ejemplo, un cuerpo A,
mantenido a la temperatura de 1000 y otro cuerpo, B, a la temperatura de 00. Nos preguntamos
qué cantidad de potencia motriz puede obtenerse por el transporte de una porción dada de calor
(por ejemplo, la que es necesaria para fundir un hielo) del primero de esos cuerpos a1 segundo.
Nos preguntamos si esta cantidad de potencia motriz está necesariamente limitada, si varía con la
sustancia empleada para obtenerla o si el vapor de agua ofrece, en este sentido, más o menos
ventaja que el vapor de alcohol, de mercurio, que un gas permanente o que cualquier sustancia.
Se ha señalado ya un hecho evidente por si mismo o que, por lo menos, se hace evidente en
cuanto se reflexiona sobre los cambios de volumen ocasionados por el calor. Donde quiera que
exista una diferencia de temperatura, puede producirse potencia motriz. Al mismo tiempo, donde
quiera que pueda consumirse esta potencia, será posible ocasionar una ruptura en el equilibrio del
calórico.
El choque, el rozamiento de los cuerpos, ¿no son, en efecto, medios de elevar su
temperatura, de hacerla llegar espontáneamente a un grado más alto que la de los cuerpos que los
rodean y, por consiguiente, de producir una ruptura en el equilibrio del calórico, allí donde antes
existía? Es un hecho experimental que la temperatura de los fluidos gaseosos se eleva por la
compresión y disminuye por la rarefacci6n. He aquí un medio seguro de cambiar la temperatura
de los cuerpos, de romper el equilibro del calórico tantas veces como se quiera con la misma
sustancia.
Según las nociones establecidas hasta ahora, se puede comparar con bastante exactitud la
potencia motriz del calor con la de una noria. Ambas tienen un límite máximo que no se puede
sobrepasar, cualquiera que fuese la máquina empleada para recibir la acci6n del calor. La potencia
motriz de una rueda hidráulica depende de su altura y de la cantidad de líquido; la potencia motriz
del calor depende también de la cantidad de cal6rico empleada, y de la altura de su caída, es decir,
la diferencia de temperatura de los cuerpos, entre los cuales se lleva a cabo el intercambio de
calórico. En la rueda de agua, la potencia motriz es rigurosamente proporcional a la diferencia de
nivel entre el depósito superior y el depósito inferior. En la caída del calórico, la potencia motriz
aumenta, sin duda, con la diferencia de temperatura entre el cuerpo caliente y el cuerpo frió.