En 1824, un joven ingeniero francés publicó por su cuenta un libro breve sobre una pregunta muy práctica: ¿cuánto movimiento se puede obtener del calor? En esta entrada de Retrociencia repasamos las Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego de Sadi Carnot, un texto que apenas atrajo atención al salir y que, con el tiempo, se consideró uno de los puntos de partida de la termodinámica.

Un libro escrito para quien no sabe álgebra

Nicolas Léonard Sadi Carnot era antiguo alumno de la École Polytechnique. Su libro, titulado Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, salió en París en la librería de Bachelier. Según la Sociedad Francesa de Física, se publicó a cuenta del autor, y la factura de la edición está fechada el 2 de junio de 1824.

El texto renuncia al lenguaje algebraico para que lo pueda seguir un lector sin formación matemática avanzada. Carnot parte de algo que, según escribe, nadie ignora: que el calor puede causar movimiento y que las máquinas de vapor, ya muy extendidas, lo muestran a la vista de todos.

Por qué importaba la máquina de vapor

Carnot dedica las primeras páginas a explicar su peso económico. Afirma que el mayor servicio de la máquina de fuego a Inglaterra fue reanimar la explotación de sus minas de carbón, y cita también la fabricación de hierro y la navegación a vapor. Reconoce el mérito de ingenieros ingleses como Savery, Newcomen, Smeaton, Watt, Woolf y Trevithick.

Su pregunta de fondo es si la potencia motriz del calor tiene un límite o si las mejoras de las máquinas podrían extenderse sin fin. También se pregunta si habría sustancias mejores que el vapor de agua, como el aire atmosférico.

La idea central: del cuerpo caliente al frío

Para responder, Carnot propone pensar el fenómeno sin atarlo a ninguna máquina ni sustancia concreta. Observa que en una máquina de vapor el movimiento va siempre acompañado de un paso del «calórico» (el término que se usaba entonces para el calor) desde un cuerpo caliente, el hogar, a otro más frío, el agua de condensación.

Según su razonamiento, la potencia motriz no procede de un consumo real de calórico, sino de su transporte de un cuerpo caliente a uno frío. De ahí una consecuencia que subraya: no basta con producir calor, también hace falta disponer de frío. Y donde exista una diferencia de temperatura puede producirse movimiento, con vapor de agua o con cualquier otra sustancia.

El argumento contra el movimiento perpetuo

Carnot describe una serie de operaciones con vapor que pueden hacerse en un sentido y en el inverso. En un sentido producen movimiento y llevan calórico del cuerpo caliente al frío. En el sentido contrario gastan movimiento y lo devuelven al cuerpo caliente.

Con ese esquema defiende que no puede existir un método capaz de sacar más movimiento del calor que el que se obtiene con esas operaciones. Si lo hubiera, argumenta, se podría usar una parte del movimiento sobrante para devolver el calórico al cuerpo caliente y repetir el ciclo sin fin. Sería, escribe, no solo movimiento perpetuo, sino una creación indefinida de fuerza motriz sin consumo de nada, algo contrario a las leyes de la mecánica. Concluye que el máximo de potencia motriz logrado con vapor es el máximo posible por cualquier medio.

De esa idea saca una regla práctica para construir máquinas: evitar todo cambio de temperatura que no se deba a un cambio de volumen, porque sería un restablecimiento de equilibrio inútil.

Lo que el libro no dice

El texto emplea el vocabulario de 1824. Habla de calórico, una sustancia que se transporta y no se consume, y no usa palabras como termodinámica o entropía. La Sociedad Francesa de Física recuerda que el libro no atrajo mucha atención hasta después de la muerte del autor en 1832 y de una reedición comentada por Émile Clapeyron en 1834. Añade que entre los escritos póstumos de Carnot se encuentra un enunciado de la primera ley de la termodinámica, que no llegó a publicarse a tiempo para influir en la ciencia de su época.

Por eso conviene leer el libro como lo que fue: una reflexión sobre máquinas reales, con un razonamiento de gran alcance, escrita antes de que existiera el marco teórico con el que se lo interpretaría después.

Fuentes

• Sadi Carnot, Réflexions sur la puissance motrice du feu (Bachelier, 1824). Texto original en Wikisource.
• Sociedad Francesa de Física, «2 juin 1824: Réflexions sur la puissance motrice du feu».