Superficie termodinámica de Maxwell
La superficie termodinámica de Maxwell es una escultura de 1874 [1] realizada por el físico escocés James Clerk Maxwell (1831–1879). Este modelo proporciona un espacio tridimensional de los diversos estados de una sustancia ficticia con propiedades similares al agua. [2] Esta gráfica tiene coordenadas de volumen (x), entropía (y) y energía (z). Se basó en los artículos de termodinámica gráfica del científico estadounidense Josiah Willard Gibbs de 1873. [3] [4] El modelo, en palabras de Maxwell, permitía "representar las principales características de las sustancias conocidas en una escala conveniente". [5]
Los artículos de Gibbs definieron lo que Gibbs llamó la "superficie termodinámica", que expresaba la relación entre el volumen, la entropía y la energía de una sustancia a diferentes temperaturas y presiones. Sin embargo, Gibbs no incluyó ningún diagrama de esta superficie. [3] [6] Después de recibir reimpresiones de los artículos de Gibbs, Maxwell reconoció la comprensión que brindaba el nuevo punto de vista de Gibbs y se dispuso a construir modelos físicos tridimensionales de la superficie. [7] Esto reflejó el talento de Maxwell como un fuerte pensador visual [8] y prefiguró las técnicas modernas de visualización científica . [3]
Maxwell esculpió el modelo original en arcilla e hizo varios moldes de yeso del modelo de arcilla, envió uno a Gibbs como regalo y mantuvo dos en su laboratorio en la Universidad de Cambridge . [3] La copia de Maxwell está en exhibición en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, [3] [9] mientras que la copia de Gibbs está en exhibición en el Laboratorio de Física Sloane de la Universidad de Yale , [10] donde Gibbs ocupó una cátedra. Dos copias residen en el Museo Nacional de Escocia , una de Peter Tait y la otra de George Chrystal . [11] [12] [13]Otro fue enviado a Thomas Andrews . [13] Se tomaron varias fotografías históricas de estos moldes de yeso a mediados del siglo XX, incluida una de James Pickands II, publicada en 1942 [14] , y estas fotografías expusieron a una gama más amplia de personas el enfoque de visualización de Maxwell.
Como explicó Gibbs y apreció Maxwell, la ventaja de una superficie UVS (energía-volumen-entropía) sobre la superficie habitual PVT ( presión-volumen-temperatura ) era que permitía explicar geométricamente transiciones de fase bruscas y discontinuas como si emergieran de un función de estado puramente continua y uniforme ; La superficie de Maxwell demostró el comportamiento genérico de una sustancia que puede existir en fases sólida, líquida y gaseosa. La operación geométrica básica implicaba simplemente colocar un plano tangente (como una lámina plana de vidrio) sobre la superficie y hacerlo rodar, observando dónde toca la superficie. Usando esta operación, fue posible explicar la coexistencia de fase, el punto triple, para identificar el límite entre las fases absolutamente estable y metaestable (p. ej., sobrecalentamiento y sobreenfriamiento ), el límite espinodal entre las fases metaestable e inestable, y para ilustrar el punto crítico . [15]
Maxwell dibujó líneas de igual presión (isopiesticas) y de igual temperatura (isotermas) en su molde de yeso colocándolo a la luz del sol y "trazando la curva cuando los rayos apenas rozaban la superficie". [2] Envió bocetos de estas líneas a varios colegas. [16] Por ejemplo, su carta a Thomas Andrews del 15 de julio de 1875 incluía bocetos de estas líneas. [2] Maxwell proporcionó una explicación más detallada y un dibujo más claro de las líneas (en la foto) en la versión revisada de su libro Theory of Heat , [15] y una versión de este dibujo apareció en un sello postal estadounidense de 2005 en honor a Gibbs. . [6]
Además de estar en exhibición en dos países, el modelo de Maxwell sigue vivo en la literatura de termodinámica, y los libros sobre el tema a menudo lo mencionan, [17] aunque no siempre con total precisión histórica. Por ejemplo, a menudo se informa que la superficie termodinámica representada por la escultura es la del agua, [17] contrariamente a la afirmación del propio Maxwell. [2]