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, permitió "representar las características principales de sustancias conocidas en una escala conveniente". [5]
Construcción del modelo
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 percepción que le brindaba el nuevo punto de vista de Gibbs y se dispuso a construir modelos físicos tridimensionales de la superficie. [7] Esto reflejaba el talento de Maxwell como un pensador visual fuerte [8] y prefiguraba las técnicas modernas de visualización científica . [3]
Maxwell esculpió el modelo original en arcilla e hizo varios moldes de yeso del modelo de arcilla, enviándole uno a Gibbs como regalo y guardando dos en su laboratorio de 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 tenía una cátedra. Dos copias residen en el Museo Nacional de Escocia , una a través de Peter Tait y la otra a través 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 al enfoque de visualización de Maxwell.
Usos del modelo
Como explicó Gibbs y apreciado por Maxwell, la ventaja de una superficie UVS (energía-volumen-entropía) sobre la superficie PVT ( presión-volumen-temperatura ) habitual era que permitía explicar geométricamente las transiciones de fase discontinuas y bruscas como emergiendo de una función de estado puramente continuo y suave; La superficie de Maxwell demostró el comportamiento genérico de una sustancia que puede existir en fases sólida, líquida y gaseosa. La operación geométrica básica consistía simplemente en colocar un plano tangente (como una hoja plana de vidrio) en la superficie y hacerla rodar, observando dónde toca la superficie. Usando esta operación, fue posible explicar la coexistencia de fases, el punto triple , para identificar el límite entre fases absolutamente estables y metaestables (por ejemplo, sobrecalentamiento y sobreenfriamiento ), el límite espinodal entre fases metaestables e inestables, e ilustrar el punto crítico . [15]
Maxwell trazó líneas de igual presión (isopésticas) y de igual temperatura (isotermas) en su yeso colocándolo a la luz del sol y "trazando la curva cuando los rayos apenas rozaron 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 una estampilla de 2005 en Estados Unidos en honor a Gibbs. . [6]
Además de estar expuesto en dos países, el modelo de Maxwell sigue vivo en la literatura de la termodinámica, y los libros sobre el tema lo mencionan a menudo, [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]
Modelos relacionados
El modelo de Maxwell no fue el primer modelo de yeso de una superficie termodinámica: en 1871, incluso antes de los artículos de Gibbs, James Thomson había construido un gráfico de presión , volumen y temperatura del yeso , basado en datos de dióxido de carbono recolectados por Thomas Andrews . [18]
Alrededor de 1900, el científico holandés Heike Kamerlingh Onnes , junto con su alumno Johannes Petrus Kuenen y su asistente Zaalberg van Zelst, continuaron el trabajo de Maxwell construyendo sus propios modelos de superficies termodinámicas de yeso. [19] Estos modelos se basaron en datos experimentales precisos obtenidos en su laboratorio, y fueron acompañados de herramientas especializadas para trazar líneas de igual presión. [19]
Ver también
- Historia de la termodinámica
Referencias
- ^ Maxwell, James Clerk (1990). Las cartas y artículos científicos de James Clerk Maxwell: 1874-1879 . pag. 148. ISBN 9780521256278.
Acabo de terminar un modelo de arcilla de una superficie elegante, que muestra los estados sólido, líquido y gaseoso, y la continuidad de los estados líquido y gaseoso "(carta a Thomas Andrews , noviembre de 1874).
- ^ a b c d Maxwell, James Clerk (1 de enero de 1995). Maxwell sobre el calor y la mecánica estadística: sobre "Evitar todas las consultas personales" de las moléculas . pag. 248. ISBN 9780934223348.
Creo que conoce los métodos gráficos en termodinámica del profesor J. Willard Gibbs (Yale College Connecticut). El invierno pasado hice varios intentos de modelar la superficie que él sugiere, en la que las tres coordenadas son volumen, entropía y energía. Los datos numéricos sobre la entropía solo pueden obtenerse mediante la integración de datos que para la mayoría de los cuerpos son muy insuficientes y, además, requeriría un modelo muy difícil de manejar para obtener todas las características, por ejemplo, del CO 2 , bien representadas, por lo que no hice ningún intento de precisión, pero modeló una sustancia ficticia, en la que el volumen es mayor cuando es sólido que cuando es líquido; y en el que, como en el agua, el vapor saturado se sobrecalienta por compresión. Cuando por fin tuve un molde de yeso, dibujé en él líneas de igual presión y temperatura, para obtener un movimiento aproximado de sus formas. Esto lo hice colocando el modelo a la luz del sol y trazando la curva cuando los rayos rozaron la superficie ... Les envío un boceto de estas líneas ... "(carta a Thomas Andrews , 15 de julio de 1875)
- ^ a b c d e Thomas G.West (febrero de 1999). "James Clerk Maxwell, trabajando en arcilla húmeda" . Boletín SIGGRAPH Computer Graphics . 33 (1): 15-17. doi : 10.1145 / 563666.563671 . S2CID 13968486 .
- ^ Cropper, William H. (2004). Grandes físicos: la vida y la época de los principales físicos desde Galileo hasta Hawking . pag. 118. ISBN 9780195173246.
- ^ Maxwell y Harman, págs. 230-231 : "Adjunto un bosquejo aproximado de las líneas en la superficie de Gibbs, coordina Volumen Entropía Energía en una sustancia imaginaria en la que las características principales de sustancias conocidas se pueden representar en una escala conveniente . " (carta a James Thomson , 8 de julio de 1875)
- ^ a b Ingeniero químico del estado de Iowa impulsa la emisión de un nuevo sello en honor al padre de la termodinámica: Iowa State University - Facultad de ingeniería, 2004 Archivado el 30 de octubre de 2012 en la Wayback Machine .
- ^ Maxwell, Garber, Brush y Everitt, p. 49 .
- ^ Ken Brodlie, "Visualización científica - pasado, presente y futuro", Actas del tercer taller sobre análisis de datos de dispersión de neutrones, instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física, sección A: aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados , volumen 354, número 1, 15 de enero de 1995, páginas 104-111, doi : 10.1016 / 0168-9002 (94) 01031-5 .
- ^ El Museo del Laboratorio Cavendish : Aparato de Maxwell .
- ^ Kenneth R. Jolls (1990). "Gibbs y el arte de la termodinámica". En DG Caldi; George D. Mostow (eds.). Actas del Simposio Gibbs, Universidad de Yale, 15-17 de mayo de 1989 . Sociedad Matemática Estadounidense. pag. 321. ISBN 978-0-8218-0157-4.
- ^ https://www.nms.ac.uk/explore-our-collections/collection-search-results/thermodynamic-model/417665
- ^ https://www.nms.ac.uk/explore-our-collections/collection-search-results/thermodynamic-model/425122
- ^ a b https://www.nms.ac.uk/explore-our-collections/stories/science-and-technology/james-clerk-maxwell-inventions/james-clerk-maxwell/thermodynamic-surface
- ^ Muriel Rukeyser (1942), Willard Gibbs American Genius (reimpreso por Ox Bow Press, ISBN 0-918024-57-9 ), pág. 203.
- ^ a b James Clerk Maxwell , Teoría del calor , revisada en 1891 por John Strutt, tercer barón Rayleigh : el dibujo de las líneas aparece como Figura 26d en la página 207.
- ^ Maxwell, Garber, Brush, y Everitt, pp. 50 .
- ^ a b Véase, por ejemplo, Don S. Lemons, Mere Thermodynamics , Johns Hopkins University Press, 2008, ISBN 0-8018-9015-2 , pág. 146.
- ^ Johanna Levelt Sengers , How Fluids Unmix: Discoveries by the School of Van der Waals y Kamerlingh Onnes Archivado el 30 de mayo de 2007 en la Wayback Machine , Real Academia de las Artes y las Ciencias de los Países Bajos , 2002, págs. 56 y 104.
- ^ a b Consulte la página Modelos 3D / Mezclas / Experimentos: Kamerlingh Onnes Archivado el 10 de diciembre de 2004 en la Wayback Machine de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos . Algunos de estos modelos están en exhibición en el Museo Boerhaave : Sala 21 Archivado 2011-06-07 en Wayback Machine .
enlaces externos
- Fotografía de una de las dos copias de Cambridge en el Museo del Laboratorio Cavendish ; para obtener leyendas más legibles que acompañen a los ejes, consulte aquí
- Estudio de caso termodinámico: método gráfico termodinámico de Gibbs en el laboratorio de Virginia Tech para análisis científico visual
- Superficie termodinámica de Maxwell en la "Enciclopedia de termodinámica humana"