Energía libre
Josiah Willard Gibbs (/ɡɪbz/;[2] 11 de febrero de 1839 – 28 de abril de 1903) fue un científico estadounidense que realizó importantes contribuciones teóricas a la física, la química y las matemáticas. Su trabajo sobre las aplicaciones de la termodinámica fue fundamental para transformar la química física en una ciencia inductiva rigurosa. Junto con James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann, creó la mecánica estadística (término acuñado por él), que explica las leyes de la termodinámica como consecuencias de las propiedades estadísticas de los conjuntos de los posibles estados de un sistema físico compuesto por muchas partículas. Gibbs también trabajó en la aplicación de las ecuaciones de Maxwell a problemas de óptica física. Como matemático, inventó el cálculo vectorial moderno (independientemente del científico británico Oliver Heaviside, que realizó un trabajo similar durante el mismo periodo).
En 1863, Yale concedió a Gibbs el primer doctorado estadounidense en ingeniería. Tras una estancia de tres años en Europa, Gibbs pasó el resto de su carrera en Yale, donde fue profesor de física matemática desde 1871 hasta su muerte en 1903. Trabajando en un relativo aislamiento, se convirtió en el primer científico teórico de Estados Unidos en ganarse una reputación internacional y fue elogiado por Albert Einstein como “la mente más grande de la historia de Estados Unidos”[3] En 1901, Gibbs recibió lo que entonces se consideraba el más alto honor concedido por la comunidad científica internacional, la Medalla Copley de la Royal Society de Londres,[3] “por sus contribuciones a la física matemática”[4].
Química física
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Primera ley de la termodinámica
La conservación de la energía es una ley absoluta y, sin embargo, parece que se opone a cosas que observamos todos los días. Las chispas crean un fuego, que genera una energía manifiesta de calor que antes no existía. Una batería produce energía. Una bomba nuclear crea una explosión. Sin embargo, cada una de estas situaciones es simplemente un caso de energía que cambia de forma. Incluso la aparentemente paradójica energía oscura que provoca la aceleración de la expansión del universo, como veremos, obedece a esta regla.
La ley de la conservación de la energía, también conocida como la primera ley de la termodinámica, establece que la energía de un sistema cerrado debe permanecer constante: no puede aumentar ni disminuir sin interferencia del exterior. El propio universo es un sistema cerrado, por lo que la cantidad total de energía existente siempre ha sido la misma. Sin embargo, las formas que adopta la energía cambian constantemente.
La energía potencial y la cinética son dos de las formas más básicas, conocidas desde las clases de física del instituto: El potencial gravitatorio es la energía almacenada de una roca empujada hacia arriba en una colina, preparada para rodar hacia abajo. La energía cinética es la energía de su movimiento cuando empieza a rodar. La suma de ambas se llama energía mecánica. El calor de un objeto caliente es la energía mecánica de sus átomos y moléculas en movimiento. En el siglo XIX los físicos se dieron cuenta de que el calor producido por una máquina en movimiento era la energía mecánica bruta de la máquina convertida en energía mecánica microscópica de los átomos. La energía química es otra forma de energía potencial almacenada en los enlaces químicos moleculares. Es esta energía, almacenada en las células del cuerpo, la que permite correr y saltar. Otras formas de energía son la energía electromagnética, o luz, y la energía nuclear: la energía potencial de las fuerzas nucleares de los átomos. Hay muchas más. Incluso la masa es una forma de energía, como demostró el famoso E = mc2 de Albert Einstein.
Calor latente
En un nuevo estudio, los químicos de la Universidad de Cornell, el Dr. Martin Rahm y el profesor Roald Hoffmann (que recibió el Premio Nobel de Química en 1981 por sus teorías sobre el curso de las reacciones químicas), han explorado una nueva forma de entender los orígenes de la energía en las reacciones químicas a nivel cuántico. Su artículo se publica en el Journal of the American Chemical Society.
El núcleo del artículo es la idea, generalmente aceptada en química, de que todas las interacciones entre las moléculas, los átomos y los electrones que unen los átomos pueden entenderse colectivamente en términos de energía. Sin embargo, el origen de esta energía y cómo cambia la energía durante una reacción química sigue siendo una cuestión abierta. A lo largo de los años, los investigadores han propuesto varios “análisis de descomposición de la energía”, o interpretaciones de cómo se puede descomponer esta energía.
En su artículo, Rahm y Hoffmann proponen un nuevo análisis de descomposición de la energía en el que la energía cambiante total de cualquier reacción química puede descomponerse en tres componentes: repulsión nuclear-nuclear (la energía de repulsión entre los núcleos cargados positivamente de diferentes átomos), la energía media de enlace de los electrones (la energía media necesaria para eliminar un electrón de un átomo) y las interacciones electrón-electrón (la energía de repulsión entre los electrones cargados negativamente).