El Desarrollo del concepto científico de "Energía"

El Desarrollo del concepto científico de "Energía"
Jorge Arturo Reyes Bonilla
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. SEPI Programa de la
Maestría en Ingeniería de Sistemas. Laboratorio de Multimedia. U. P.
Zacatenco. 07738 México D. F. E-mail: troya1@prodigy,net.mx
Resumen
El desarrollo del concepto de energía ha estado ligado a nuestra comprensión del
movimiento de la materia, de las diferentes formas en que se manifiesta y de las
leyes que lo rigen.
Así, lo que hoy conocemos como movimiento térmico, la electricidad e incluso las
reacciones bioquímicas que dan lugar a la vida, cuando no eran explicadas por la
teoría de los fluidos sutiles, se asumía resultado de la acción de una fuerza
misteriosa, de una "vis viva".
Fue en el campo de la termodinámica con las observaciones y experimentos de
Benjamín Thompson en 1778 que se logra esclarecer la naturaleza del "calor",
contribuyendo a la derrota del "calórico"; pero la gran difusión de la terminología
no científica, así como la resistencia a despojarse de las fuertes connotaciones
religiosas de la misma, hacen que aún en 1847 el propio Hermann Helmholtz nos
hable "Sobre la conservación de la fuerza" (Über die Erhaltung der Kraft); con
todo, el término energía en su acepción científica es producto del siglo XIX,
iniciándose su uso con Thomas Young y generalizándose gracias a William
Rankine.
Sin embargo, la nueva etapa de la física que emerge con la primera y segunda
discontinuidad cuántica, no ha hecho más que volver a replantear el problema
entorno a la energía, cuya resolución no parece estar en manos de las relaciones
matemáticas, sino que más bien con éstas se pretenden justificar concepciones
filosóficas y/o inconsistencias de muchos científicos, que han llegado a aceptar
como natural separar la materia del movimiento; la energía hipostasiada, ha
pasado de ser una propiedad de la materia a una sustancia, al modo del calórico.
En este trabajo se discute el desarrollo del concepto de energía y se explica su
sentido en química y bioquímica, a la vez que se realiza la crítica a las
desviaciones del campo científico
Palabras clave: Energía, movimiento, energía química, cuanto de luz.
Abstract
The development energy concept, has been bound to over understanding of
movement of matter, the different forms of manifest the movement and the law
that govern.
This way, which today we know as thermal movement, electricity and the
biochemical reactions, was explain by the subtles fluids theories or by action of
mysterious force, of a "vis viva".
Was in 1778 in the field of thermodynamic with Benjamin Thompson
observations and experiments, that achieve the explain the nature of the "Heat",
contributed to defeat of "caloric", but the great spread of the no scientific
terminology, so as the refuse to deprive his strong religious connotations, does
yet 1847, it himself Hermann Helmholtz speak us "On the force conservation"
(Über die Erhaltung der Kraft), however the term energy in the scientific sense is
product of XIX century, begining the use with Thomas Young and generalized
thank William Rankine.
However, the new stage of Physic that arose with the first and second quantum
discontinuity has not done any more that return to has restate the problem
around the energy, which resolution no seem to be in the mathematic relations
with these they try to justify philosophical conceptions and / or inconsistencies of
many scientists, who have to reach to agree like natural to separate the matter of
the movement, the energy hipostasiada, it has passed of being a property of the
matter to a substance like the caloric one.
In this paper discuss the development of energy concept and explain their sense
in chemistry and biochemistry, also make the criticism to the deviation of
scientific field.
Keyword: Energy, movement, chemistry energy, quantum
1. ενεργεΐα, los fluidos sutiles y la vis viva
La palabra ενεργεΐα o “energía” fue retomada de la obra Metafísica del filósofo
griego Aristóteles, utilizada por éste para referirse al acto, término que según él,
en relación al movimiento se ha dado “a la potencia activa”.[1]
Afirma Aristóteles que el movimiento “parece ser el acto por excelencia”. Por esta
razón “no se atribuye al movimiento a lo que no existe”.[2]
“El poder o potencia -dice Aristóteles- se entiende del principio del movimiento o
del cambio, colocado en otro ser, o en el mismo ser en tanto que otro. Así el poder
de construir no se encuentra en lo que es construido: el poder de curar, por lo
contrario puede encontrarse en el ser que es curado, pero no en tanto que curado.
Por poder se entiende, ya el principio del movimiento y del cambio...”.[3]
Puede parecer extraño citar Aristóteles, en el ámbito de la ingeniería, si no fuera
porque la ciencia occidental, en las ideas de sus grandes desarrolladores, se ha
nutrido de las reflexiones de ese gran filósofo. En su Metafísica, Aristóteles
discute sobre lo que hoy entendemos como la posibilidad y la realidad del
movimiento; no es difícil descubrir en ello el germen de lo que siglos después se
describe como la energía potencial y cinética, así como el convencimiento de la
transformación de una forma de movimiento en otra, con toda razón dice
Aristóteles: “El Hermes está en potencia en la madera”, [4]
Sin embargo, ενεργεΐα o energía, no es un término que se hubiere conservado en
el uso cotidiano de la ciencia positiva en occidente, menos aún cuando había
prohibiciones explícitas del papado durante la edad media de la difusión de la
filosofía de Aristóteles y será hasta 1128 cuando Jaime de Venecia, traduce la
Lógica y Dialéctica que conforman el Organum.[5]
La religión que permea fuertemente la sociedad feudal europea y las
reminiscencias de ésta incluso en los adentros del siglo XVIII, es la razón por la
cual el movimiento de los entes materiales (de los astros y de los máquinas) y de
las leyes que los rigen, se explicaran por la acción de fuerzas misteriosas o en el
mejor de los casos por algún fluido sutil. Así los fenómenos térmicos, se asumen
resultado de una “sustancia del calor” o “calórico”; análogamente, los fenómenos
eléctricos debían ser producto de un fluido que por cierto podía almacenarse.
En 1778 Benjamín Thompson (Conde Rumford), realiza experimentos de
horadación de cañones que contradicen las suposiciones sobre el calórico y
aunque sus trabajos marcan el inicio del proceso de extinción de las teorías de los
fluidos sutiles, ello no impidió que sustentándose en la teoría del calórico se
realizaran en 1812, experimentos y cálculos de calores específicos de muchos
gases a presión atmosférica por Delaroch y Bërad, los cuales sirvieron para
preparar el terreno en 1824 a la obra de Sadi Carnot Reflexiones Sobre la Potencia
Motriz del Fuego, con la cual se funda la Termodinámica, pero aún de cabeza, en
cuanto se sustenta en el calórico y no en el movimiento de la materia.
Paradójicamente, la explicación de los fenómenos térmicos por el movimiento es
antigua, por no decir milenaria, se basa en la observación de la relación de la
fricción con la llama y de la movilidad de ésta. Pero también ante el hecho de
que “los muertos están fríos”, hacen suponer también su relación con la vida; se
asume entonces al calor como un vehículo para la salud. Esa opinión general la
expresa muy bien Aristóteles “El principio de la curación es probablemente el
calor y se produce el calor por medio de fricciones. Ahora bien, el calor producido
en el cuerpo es un elemento de la salud o va seguido de otra cosa o de muchas
que son elementos de la salud”.[6]
Desde el siglo XVII en Inglaterra un grupo de estudiosos de la naturaleza entre
los que se cuenta Francis Bacon, Robert Boyle, Robert Hooke ya sostenían una
concepción muy ajena a la idea del calórico. Bacon en 1620 había dicho “El calor
en si mismo, en esencia, es movimiento y nada más”. Boyle había expresado el
mismo punto de vista, su discípulo y amigo, el eminente físico Robert Hooke
había descrito el calor diciendo que no era “nada más que una agitación rápida y
vehemente de las partes del cuerpo”.[7]
Si a pesar de los adelantos del siglo XVII en Inglaterra, en la Europa continental
de los siglos XVIII y aún de comienzos del XIX no se logra desterrar las ideas del
calórico y de las fuerzas misteriosas que pretenden explicar tanto el movimiento
mecánico como la vida misma, es porque la religión permea toda la sociedad,
como puede evidenciarse en los escritos de Gottfriel Wilhelm Leibniz,.
Leibniz había estudiado los experimentos de Galileo Galilei relativos a la caída de
los cuerpos; donde éste había concluido que caen a la misma velocidad
cualquiera que sea su peso; sin embargo, Leibniz observó que el daño que causan
no es igual; el análisis lo llevó de un lado a proponer el término vis viva (fuerza
vital), para referirse a la cualidad de un cuerpo de causar daño y de otro, para
calcularla, a la relación mv2. Leibniz en su escrito Discurso de Metafísica de 1686,
hace una crítica a Descartes y a los cartesianos por calcular la fuerza viva
mediante mv, ya que debe “estimarse por la cantidad de efecto que puede
producir”.[8]
Leibniz nos aproxima al concepto de energía cinética, pero bajo una terminología
que permite el paso del pensamiento religioso, de hecho la vis viva, en el campo
de las ciencias biológicas es la explicación “natural”, el sucedáneo del soplo
divino ante la ignorancia de los procesos bioquímicos.
2. El paso de la vis viva a la energía en la ciencia moderna
Entrado el siglo XIX el término “fuerza vital” se había generalizado tanto que
Hermann Helmholtz en su libro Über die Erhaltung der Kraft (Sobre la
conservación de la fuerza) de 1847, todavía lo utiliza como sustituto de energía.[9]
Por cierto, en esta obra Helmholtz propone expresar la fuerza viva por
1 2
mv . (1)
2
La introducción del término energía en el ámbito de la ciencia moderna, se debe a
Thomas Young quien lo utilizó en su obra A Course of Lecture on Natural
Philosophy and Mechanical Arts de 1807 para referirse a mv2.
James Clerk Maxwelll expresó que el “uso del término energía, en un sentido
preciso y científico para expresar la cantidad de trabajo que puede hacer un
sistema material, fue introducido por el Dr. Young”.[10]
Si todavía a finales del siglo XVIII no había el interés, ni especulación alguna
sobre las interrelaciones del calor, el trabajo y el movimiento mecánico, con el
desarrollo de las máquinas de vapor, se hace evidente la conversión de una
forma de movimiento en otra.
La relación del calor con la energía mecánica lo hallará James Prescott Joule, quien
comienza sus experimentos en 1845: A un recipiente cerrado y aislado
térmicamente se le adaptó un dispositivo de paletas rotatorias (agitador)
alrededor del eje externo se enrolla una cuerda que pasa por una polea y sostiene
un peso. Este cuerpo se deja caer a una velocidad constante, eliminando toda
aceleración excepto la de la gravedad del lugar. Después de la caída del cuerpo se
halla un incremento en la temperatura del agua agitada por las palas.[11]
Joule halla la dependencia entre el movimiento mecánico y el térmico, entre la
energía mecánica y térmica. No obstante la todavía errónea concepción del calor
y la energía mecánica hicieron definir la unidad de calor en forma distinta a la de
la unidad de trabajo.
Fueron sin duda los ingleses quienes más fácilmente asimilaron el término
“energía” y así William John MacQuom Rankine hacia 1853 recompone sus
teorías moleculares en términos de energía y sus transformaciones, quien
distingue entre la "energía actual", la cual se perdía en un proceso dinámico y la
"energía potencial" (término acuñado por él) por la cual se reemplazaba. Supuso
que la suma de las dos energías era constante, idea de la conservación de la
energía que aunque no muy difundida se iba haciendo familiar.
Rankine introduce una “función termodinámica” que resultará idéntica a la
entropía de Clausius y establece la ciencia de la energética
William Thomson (Lord Kelvin) vio en la idea de la conservación de la energía un
gran principio unificador de la ciencia, el propone en 1856 el término energía
cinética. A pesar de ello, aun en obras de 1867 sigue utilizando la terminología de
Leibniz: “La fuerza viva o energía cinética de un cuerpo que se halla en
movimiento es proporcional a su masa y, al mismo tiempo al cuadrado de su
velocidad”.[12]
Es evidente que se trata de la transición hacia el definitivo abandono de la vis
viva, al menos dentro del ámbito académico y científico.
Como remate de esta etapa, Joule en 1858 acuña el término Termodinámica, para
designar la ciencia de las relaciones entre el calor y poder.
3. Energía en la Química y Bioquímica
Los químicos modernos han heredado lo mejor del pensamiento científico que se
enfrentó al oscurantismo que por cierto aún hoy continúa agazapado incluso
entre relaciones matemáticas que pretenden convencernos de que la materia y el
movimiento se pueden separar hasta convertirse éste último en una cosa, una
sustancia.
Energía, término que en su connotación moderna emanó de la mecánica, sin dejar
de aludir al movimiento, ahora también lo identifica: energía eléctrica, eólica,
mareomotriz, geotérmica.
En termodinámica se investiga esencialmente la energía térmica, en otras palabras
el movimiento caótico de las moléculas y cómo utilizarla de forma eficiente para
realizar trabajo; es decir, movimiento sobre otros cuerpos, en esta tarea requiere
también considerar los movimientos moleculares como la rotación, vibración, etc.
La energía química alude al movimiento de la materia caracterizada por la
ordenación de los átomos que implica la ruptura y formación de enlace. En el
proceso de la reacción química, aparecen formas de movimiento que conducen a
configuraciones de resonancia, inestables (complejo activado).
El movimiento de las partículas es mayor en el “complejo activado” que
inevitablemente da lugar a una forma estable. Para llegar al estado de complejo
activado, las partículas de los reactivos a la luz de la teoría cinética, deben
“chocar”, así se logra “romper” los enlaces; esto es, provocar un acercamiento de
las nubes electrónicas y conseguir la configuración de complejo activado.
Pero si las moléculas chocan a velocidades pequeñas las fuerzas repulsivas de
Van der Waals las obliga a rebotar elásticamente, por ello es necesario el
incremento de la temperatura: La velocidad de muchas reacciones se duplica
aproximadamente por cada 10% de incremento de la temperatura. [13]
En la trayectoria histórica de las ciencias naturales se desarrolló la teoría del
simple desplazamiento de lugar, la mecánica de los cuerpos celestes y de las
masas planetarias, viene luego la teoría del movimiento molecular y del
movimiento de los átomos, es la era de la termodinámica, la química y la física.
Tras este desarrollo ha sido posible abordar con éxito los sistemas biológicos con
las formas de movimientos propios de ellos.
Las fronteras biológicas habían permanecido en occidente, por casi 1700 años
obstinadamente herméticas, de un lado porque el estudio anatómico del cuerpo
humano debía mantenerse oculto a la represión religiosa y de otro, dar una
explicación coherente al porqué todo ser vivo tiene que alimentarse y respirar,
requirió del desarrollo de la fisicoquímica; este retraso ha incidido de tal forma en
la propia bioquímica que aún se habla en términos de “extraer energía” de los
alimentos o “almacenarla” en el Adenosin 5’ trifosfato (ATP).
Más lo que hay en juego durante la reacción bioquímica y la hace diferente de
muchas reacciones de la naturaleza “inanimada”, es la presencia de enzimas,
catalizadores biológicos que aceleran la reacción, reducen la energía de
activación, pero no alteran la termodinámica global de la reacción. La función del
ATP es mediar la formación de un compuesto fosforilado intermedio muy
reactivo, Se crea así una ruta de reacción termodinámicamente viable.
4. La “energía” hipostasiada.
Aún con lo matices heredados de la época del calórico que arrastra la ciencia, los
químicos y físicos jamás han hallado indicio alguno de cierto ente material
(“energía”) que requiera ser “acumulado” o “liberado” durante las reacciones
químicas o bioquímicas.
Sin embargo, a finales del siglo XIX y comienzos del XX se desarrolló una
corriente en la física que derivó en variantes del idealismo filosófico y entre cuyos
representantes se hallaban científicos notables como Whilhem Ostwald, Ernst
Mach, Hernri Poincare entre otros. Ostwald desarrolló la corriente del
“energetismo”, en tanto que Mach la del empiriocriticismo. Ambas corrientes
pretendieron apoyarse en los descubrimientos de la física particularmente en lo
tocante a la radiactividad, llegando a la conclusión de la desaparición de la
materia.
Cuando Max Planck para explicar los resultados del comportamiento del cuerpo
negro, propone que la absorción y emisión de radiación electromagnética
(primera discontinuidad cuántica), se realiza por cuantos de energía, ello se
concluye con extrema cautela por parte de Planck, porque se sabe que el
movimiento vibratorio (en este caso de la onda electromagnética), al derrumbarse
la teoría del éter (experimento de Michelson y Moreley de 1887), ha dejado de
tener un portador, el movimiento “la energía” parece desprenderse de la materia,
por ello Planck no extiende sus explicaciones a la propagación de la radiación.
El “energetismo” y las diversas sectas del empiriocriticismo con el
descubrimiento del “quantum” de energía, que pudieron haber pasado de moda
y reducido en cuanto a seguidores a un pequeño grupo con problemas
existenciales, cobró entonces nuevos bríos.
Ostwald y Mach de algún modo continuadores de lo más idealista de la filosofía
de Immanuel Kant, es bien sabido influyeron filosóficamente en Albert Einstein
quien propone al explicar el efecto fotoeléctrico, que la radiación electromagnética
no sólo se absorbe y emite, sino también se propaga en “paquetes” de energía
(segunda discontinuidad cuántica). Nadie en su época habla de fotón, ni conoce la
naturaleza del mismo, por ello la interpretación de que Einstein en su escrito de
1905, donde trata este problema, habla de un fotón-partícula, es una mera
especulación que no toma en cuenta el contexto y que se ha dejado crecer por la
más amplia variedad de autores, su concepción de la “energía” como una entidad
ajena a la materia será una constante en él.[14]
Einstein nos habla de granos o paquetes de "energía", pero no tiene evidencia, ni
quiere suponer que se trata de partículas. La interpretación filosófica de sus
hallazgos previos lo empujaron a concebir el "quantum", "grano" o "paquete" de
energía como algo muy distinto de la materia.
Einstein en torno a la relatividad, antes de su explicación del efecto fotoeléctrico
había hallado la relación
E = mc2.
(2)
La ecuación (2) expresa la ley de interenlace de la masa y la energía, muestra la
relación entre magnitudes de la masa y la energía, las cuales ante la aparición de
la teoría de la relatividad se consideraban independientes una de la otra.
No se puede considerar que la relación de la masa y la energía confirmen la
posibilidad de transformar la masa en energía y mucho menos la materia en
energía. La masa y la energía son sólo propiedades de la materia. La primera es una
medida de su inercia, la segunda una medida de su movimiento, por eso ellas no
se reducen una a otra, ni se transforman una en otra.[15]
Einstein con el sustrato de las ideas de Ostwald de forma natural llega a concluir
la posibilidad de conversión de la masa en ¡energía pura!.
La serie de reacciones desatadas en un reactor nuclear y las cuales son
aprovechadas para generar corriente eléctrica, no hace más que evidenciar el
error de los seguidores del energetismo, pues no hay liberación de “energía
pura”. Ahí donde se detecte “energía” (movimiento), sea en el reactor nuclear o
en las profundidades del cosmos, es porque ésta es portada por una partícula.
El movimiento no existe sin materia, como tampoco hay materia sin movimiento.
En una central nuclear el proceso de fisión libera partículas de núcleos más
ligeros, hay colisiones (movimiento caótico) en las paredes del reactor, lo que se
acompaña de radiación electromagnética; ésta última consiste de fotones,
partículas de masa en reposo cero (pero con masa dinámica, pues su estado
natural no es el reposo), responsables de la radiación térmica.
Tanto partículas fotónicas, como de fermiones (protones, neutrones, electrones,
etc.), entran en el juego de la reacción nuclear controlada, todas contribuyen a
calentar el reactor, el cual puede ser enfriado con agua, el vapor resultante mueve
turbinas que a su vez generan electricidad, el movimiento de cargas que realizará
trabajo de las máquinas industriales.
¿Dónde se halla entonces la “energía” pura, desprendida de la materia?
Conclusiones
La ciencia a través de un proceso de varias centurias había llegado a la aceptación
general de la energía como medida del movimiento de la materia. Sin embargo, el
hecho de que algunos científicos en su interpretación de relaciones matemáticas,
nos lleven a proponer cuando no la separación de la materia y el movimiento, una
energía hipostasiada, sustantivada, con existencia paralela a la materia, en una
versión moderna del calórico, todo ello muestra que aún no puede considerarse
cerrada la polémica en torno a la energía.
Hoy los científicos tienen el deber de polemizar, de entrar al debate filosófico y
extenderlo a la población, en donde el espiritualismo encubierto de cientificidad,
bajo la bandera de una supuesta “física” o “mecánica cuántica”, pretende volver
a emerger el viejo energetismo de Wilhelm Ostwald y con ello en vez de liberar su
conciencia, retroceda y quede a merced del nuevo oscurantismo.
Referencias
[1] Aristóteles. Metafísica. Libro noveno (Th). Editorial Porrúa. 2000. Pp. 191 y 193.
[2] Aristóteles. Libro noveno (Th). Editorial Porrúa. 2000 Pág. 191
[3] Aristóteles. Libro quinto (D). Editorial Porrúa. 2000. Pág. 109
[4] Aristóteles Capítulo (Th). Editorial Porrúa. 2000 Pág. 193
[5] Historia Universal. La Edad Media, Tomo 10. Salvat Editores. Perú 2005. Pp. 326 y
329
[6] Aristóteles. Capítulo Z. Ob. Cit. Pág. 150
[7] Sadi Carnot. Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas aptas
para desarrollar esta potencia. IPN. México. 1976 Pág. 160 (Nota 12 D.S.L. Cadwell)
[8] W. L. Gottfried “Discurso de Metafísica” en Monadología y Discurso de Metafísica.
Sarpe Madrid 1985 Pp. 100-101
[9] F. Engels. Dialéctica de la Naturaleza. Grijalbo Mèxico 1963. Pàg.68
[10] J. C. Maxwell. Materia y Movimiento. IPN. México 1987 Pág. 135
[11] D. M. Burghardt. Ingeniería Térmica. Harla México 1984. 2ª edición. Pág. 40.
[12 ] Cita de F. Engels de la obra Thomson y Tait. A Traitase on Natural Philosopie.
Oxford 1867 en Dialéctica de la Naturaleza. Grijalbo México 1961 Pág. 68
[13] L. Pauling. Química General. Aguilar España 1970 Pág. 530
[14] Véase para comprobar ello de forma más explícita. en A. Einstein, L. Infierld. La
evolución de la física (1938). Biblioteca Científica Salvat. Barcelona 1986.
[15] M. J. Karapatiants, S. I. Drakin. Estructura de la sustancia. Mir Moscú 1974. Pp. 3536 .