ESCALA KELVIN DE TEMPERATURA, GRADOS KELVIN, PUENTE DE KELVIN, EFECTO THOMSON, EFECTO JOULE-THOMSON

SIR WILLIAM THOMSON, LORD KELVIN OF LARGS (1824 – 1907)
Gerardo M. Antón Fos (2004)

Datos Biográficos
Descendiente de escoceses e irlandeses, nació el 26 de junio de 1824 en Belfast. Segundo hijo de ocho hermanos, queda huérfano de madre en 1830 y su padre James Thomson (1786-1849), profesor de matemáticas de la Royal Academical Institution de Belfast, quedando la educación de todos los hermanos a cargo de su padre
En 1832 nombraron a James Thomson Catedrático de matemáticas de la Universidad de Glasgow y se trasladaron a esa ciudad. En ésta primera etapa de su vida recibió una completa formación a cargo de su padre y en 1834, a la edad de 10 años ingresa en la Universidad de Glasgow, aunque realmente inicia sus estudios universitarios en 1838.

En 1840, realiza una estancia en Alemania para aprender el idioma, y allí conoce el trabajo de Jean Baptiste Joseph Fourier sobre la física matemática. En los dos años siguientes estudia astronomía y química, e inicia al año siguiente los estudios de filosofía natural (hoy en día llamada física) que incluyó un estudio de calor, electricidad y magnetismo. A la edad de 15 años escribe el trabajo titulado Essay on the Figure of the Earth donde analiza los orígenes de la tierra.

En 1841 se traslada a la Universidad de Cambridge, y en 1845 finaliza sus estudios de matemáticas. Se gradúa como segundo de su promoción y obtiene el premio First Smith’s y es elegido Fellow of Peterhouse. En este período colabora con George Gabriel Stokes (1819-1903) y realiza estudios sobre hidrodinámica.

Dado que desde Newton la ciencia experimental se había desarrollado muy poco en Cambridge, y por tanto las posibilidades de realizar estudios experimentales eran muy bajas, decide trasladarse a París al laboratorio del físico Henri-Victor Regnault (1810-1878) investigando en todo lo relacionado con las propiedades térmicas del vapor y su aplicación a las máquinas de vapor. Este hecho supuso la base para posteriormente formular las leyes de la termodinámica y un sistema absoluto para medir las temperaturas.
En 1846 con sólo 22 años, acepta la Cátedra de Filosofía Natural en la Universidad de Glasgow, donde permaneció hasta 1899, logrando el reconocimiento universal como uno de los mayores físicos de su tiempo. En estos 53 años rechazó cátedras en las Universidades de Oxford y Cambridge, e inició su investigación sobre el magnetismo, elasticidad, electricidad…

En 1848, establece la escala absoluta de temperaturas.
En 1851, da forma matemática a las conclusiones de Michael Faraday (1791-1867) sobre la electrólisis, basándose en principios termodinámicos. Enuncia la Segunda Ley de la Termodinámica (paradójicamente enunciada antes que la Primera Ley de la Termodinámica) de manera simultánea a Rudolf Clausius (1822-1888).

En 1852 se casa en primeras nupcias con Margaret Crum (prima segunda suya), hija de Walter Crum of Thornliebank, que murió en 1870; en 1874 se casa en segundas nupcias con Frances Anna, Blandy hija de Charles R. Blandy of Madeira, fijando su residencia en Netherhall cerca de Largs, en North Ayrshire, Escocia.

En 1852, William Thomson junto con W. Weber (1804-1891) insisten sobre la necesidad de adoptar un sistema unificado en lo que respecta a las unidades eléctricas. En 1861, es elegido por un comité de la British Association para elaborar un Estándar de Referencia y se define el primer Sistema de Referencia de Unidades Eléctricas. Colabora con James Prescott Joule (1819-1899) para desarrollar lo que se conoce con el nombre del Efecto Joule-Thomson. A partir de los estudios sobre termodinámica que realizó, sostuvo numerosos debates sobre la vida de la Tierra, llegando a proponer que no podía ser superior a los 100 millones de años. Sin embargo este lapso de tiempo era muy corto para los geólogos uniformistas y darwinistas, ya que en ningún caso satisfacía la cronología establecida por ellos.

En 1853, aborda el estudio de la naturaleza oscilatoria de las descargas eléctricas, cuya investigación fue continuada por James Clerk Maxwell (1831-1879) y completada por Heinrich Hertz (1857 – 1894).

En 1856, ejerció como director de la Atlantic Telegraph Company en la instalación del primer cable telegráfico submarino a través del Atlántico Norte (entre Irlanda y Newfoundland, EE.UU.). Tras varios intentos fallidos en 1866 se realizó la primera transmisión.

Entre 1873 y 1878 modificó y mejoró la brújula, reduciendo al mínimo sus oscilaciones y corrigiendo los errores que provenientes del magnetismo del casco del barco. Inventó una analizador utilizado para predecir las mareas.

William Thomson realizó mejoras en la fabricación de cables, inventó el cable flexible en 1858, el galvanómetro de imán móvil, el sifón registrador, el electrómetro de cuadrantes. Construyó un dispositivo capaz de resolver mecánicamente ecuaciones diferenciales en 1876, considerado como el precursor de las calculadoras analógicas. Realizó el tratamiento matemático del magnetismo, investigó las propiedades electrodinámicas de los metales y los circuitos oscilantes. Todo ello le llevo a patentar 70 inventos y a publicar 661 trabajos.

Tras una vida dedicada al estudio y a la investigación William Lord Kelvin of Largs fallece el 17 de diciembre de 1907 en Netherhall, Ayrshire (Escocia), y es enterrado en la Abadía de Westminter, junto a Isaac Newton.

Entre los reconocimientos más importantes se encuentran:
En 1851 es nombrado miembro de la Royal Society. En 1856 es premiado con la Royal Medal of the Royal Society of London. En 1866, en agradecimiento a los servicios realizados en el tendido de los cables submarinos para instalar la telegrafía transatlántica Thomson recibe el tratamiento de Sir. En 1871 es nombrado Presidente de la British Association for the Advancement of Science. En 1883 es premiado con la Copley Medal of the Royal Society of London, y es nombrado miembro honorífico de la Edinburgh Mathematical Society. En 1890 es nombrado Presidente de la Royal Society.

En 1892 es nombrado Baron Kelvin of Largs (Lord Kelvin) por la Reina Victoria. Como curiosidad, Kelvin es el nombre de un afluente del río Clyde que pasa por la ciudad de Glasgow. En 1896 recibe The Grand Cross of the Royal Victorian Order. En 1898 es nombrado Presidente de la London Mathematical Society hasta 1900. En 1902 en reconocimiento a sus destacados logros en el ámbito científico recibe la Order of Merit de la Royal Society.

Escala Kelvin de Temperatura. Grados Kelvin (K)
A lo largo de la historia se han observado muchos intentos par construir una escala termométrica, así como definir un método para medir la temperatura y construir termómetros. Desde Galeno (año 170 a.C.), pasando por Filón de Bizancio, Herón de Alejandría, Galileo (1596), Santorio (1612), Fernando II de Medicci Gran Duque de la Toscana (1641), el interés por medir la temperatura así como la construcción de instrumentos capaces de medirla ha sido patente, pero no es hasta 1641 cuando Fernando de Medicci acuña el término termómetro, del griego (calor) y (para medir), y contribuye a través la Academia del Cimento a establecer puntos fijos a partir de los cuales calibrar los termómetros, desarrollándose más de 35 tipos de termómetros a finales del S XVII. Pero no es hasta el año 1714 cuando Daniel G. Fahrenheit introduce el termómetro de Mercurio y establece la escala Fahrenheit y hasta 1748 cuando Andrés Celsius introduce la Escala Celsius o Centígrada. Alrededor de 1780 se calcula que se habían desarrollado unos 30 tipos de escalas de temperatura.

En 1702, el francés Guillaume Amontons de forma intuitiva enuncia la existencia de un cero absoluto de temperaturas, aunque en 1660 Robert Boyle estableció que el producto del volumen por la presión de un gas era constante a temperatura fija y a bajas presiones, definiendo el gas ideal como aquél que satisfacía la igualdad. Edem Mariotte en 1679 corrobora las estudios de Boyle y la expresión P•V=cte se le denomina Ley de Boyle-Mariotte o Ley de las Isotermas. En 1787 Jacques Charles descubrió que el volumen de un gas varía directamente proporcional a la temperatura expresada en grados Celsius, si la presión se mantiene constante, aunque no logró demostrarlo para todos los gases. Sin embargo no fue hasta 1802 en el que Joseph Gay Lusaac publica un artículo en el que enuncia de forma correcta lo que hoy conocemos como la Ley de Charles-Gay Lusaac, indicando que en la medida en que disminuye el volumen hasta alcanzar el valor cero, sin alterar la presión, la temperatura tiende a un valor mínimo. Todos estos resultados constituyen la base de la formulación de la escala de temperaturas absolutas enunciada por William Thomson.

En 1848 Lord Kelvin publica en la revista Cambridge and Dublín Mathematical Journal un artículo titulado “Acerca de una escala termométrica absoluta en base a la teoría de Carnot sobre la fuerza motriz del calor y calculada a partir de las observaciones de Regnault”. En este artículo comunica que el movimiento molecular cesa a la temperatura de –273,15 ºC, siendo imposible que una sustancia pueda encontrarse a una temperatura inferior, denominándola cero absoluto.

En 1954 en la 10ª Conferencia General de Pesos y Medidas se define la unidad de temperatura termodinámica en términos del intervalo entre el cero absoluto y el punto triple del agua cuyo valor es 273,16 K, es decir equivalentes a 0,01 ºC. Esta escala fue llamada escala Kelvin de temperaturas en honor a Lord Kelvin (Sir William Thomson), y se representa por la letra K.

En 1968 se realiza una revisión de la Escala Práctica Internacional de Medidas (IPTS68) y se elimina la distinción entre los métodos de definir temperatura a través de procedimientos termodinámicos y prácticos. La unidad de temperatura es definida como la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Efecto Joule-Thomson
James Prescott Joule junto con William Thomson descubrieron que la temperatura de un gas desciende cuando se expande a través de una pared porosa hacia una región de presión más baja. Ambos investigadores dejaron expandir un gas por una placa porosa desde una presión constante a otra, controlando la diferencia de temperatura producida por efecto de la expansión. El sistema estaba aislado, de forma que el proceso era adiabático, y observaron que la temperatura era inferior en la zona de baja presión y que la diferencia de temperatura era proporcional a la diferencia de presión aplicada. Este fenómeno se le conoce como efecto Joule-Thomson y sirve de base a la refrigeración y a los sistemas de aire acondicionado.

Refrigerador Kelvinator
El ingeniero Nathanel B. Walles en 1914, fue el primero en construir un sistema de refrigeración de productos alimenticios para utilización en los hogares. Después de desarrollar varios modelos Edmun J. Copeland y Arnol H. Goos fundaron en 1916 la empresa Electro-Automatic Refrigerating Company, Inc. y unos meses después de su fundación y en reconocimiento a los méritos y contribuciones realizadas en honor a William Thomson, quien fue uno de los investigadores que fijó los principios de la refrigeración a través del Efecto Joule-Thomson, el nombre de la misma fue cambiado a Kelvinator Company. Actualmente se encuentra integrada dentro de la compañía The Electrolux Group.

Puente de Thomson
Es un circuito eléctrico diseñado para medir el valor de una resistencia comprendida entre 0,0001 y 0,01 ohms. Es una modificación del Puente de Wheatstone y proporciona un gran incremento en la exactitud de las mediciones de resistencias de valor bajo.


El dispositivo consiste en una varilla compuesta por una aleación de cubre, manganeso y niquel (Manganin®) con una resistencia máxima de 0,1 ohm. En uno de los terminales se fija el potencial, mientras que el otro es variable. El sistema está provisto de una escala de 15 pulgadas dividida en 100 subdivisiones iguales de 0,001 ohm.


Poliedro de Kelvin
En 1887 Lord Kelvin propuso el siguiente problema: ¿cuál será el método más eficiente para dividir un espacio en celdas con un área común mínima? La resolución al problema fue propuesta por él mismo y como resultado obtuvo un poliedro de 14 lados, formado por 8 hexágonos y 6 cuadrados. Se le conoce con el nombre de Sólido de Kelvin, Octaedro truncado o Heptaparaleloedro; esa figura geométrica proviene de un octaedro al que se le han cortado los ocho vértices de forma que las aristas quedan divididas en tres trozos iguales.

En los juegos infantiles de algunos parques de las ciudades y en las playas encontramos poliedros cuyas caras son polígonos regulares. Son estructuras compuestas por cuerdas tensadas. En unos casos las cuerdas parten de lo alto de un mástil hacia los vértices de un cuadrado dibujado en el suelo, y en otros surgen de los vértices de la estructura metálica de un poliedro de caras triangulares. Se puede observar que el poliedro básico que forman este tipo de estructuras es el poliedro de Kelvin.

Bibliografía

Ira N. Levine. Fisicoquímica (vol. 1 y 2). McGraw-Hill, 4ª Edición. Madrid, 1996.

P.W. Atkins. Química Física. Ediciones Omega, 6ª Ed ición. Barcelona, 1999.

Diccionario de Física. Editorial Complutense. Madrid, 1998.

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