Ludwig Boltzmann: Biografía y contribuciones

¿Quién fue Ludwig Boltzmann?

Ludwig Boltzmann fue un famoso físico atómico austriaco que colaboró ​​frecuentemente con otros gigantes intelectuales. Cualquier biografía de Ludwig Boltzmann mencionaría que es el padre de la mecánica estadística, su mayor logro científico. La mecánica estadística combina las capacidades matemáticas de la estadística con aspectos de la mecánica clásica y cuántica. Gran parte del trabajo de Ludwig Boltzmann se centró en la termodinámica, que exploró la relación entre el movimiento y el calor.

Ludwig Boltzmann nació en Viena el 20 de febrero de 1844. Recibió su título final, un doctorado, de la Universidad de Viena en 1866. Ludwig entonces ocupó muchos puestos como profesor en prestigiosas universidades de toda Europa. Estaba casado con Henriette von Aigentler, quien era maestra de secundaria. Inicialmente se le negó la capacidad de asistir como oyente a conferencias en su universidad sobre la base de que era mujer, y su futuro esposo la ayudó con su apelación contra esta decisión. La pareja compartió cuatro hijos, llamados Henriette, Arthur Ludwig, Elise e Ida. Ludwig era conocido como un viajero del mundo y disfrutaba enseñando en muchas universidades diferentes para experimentar nuevos lugares. Fue un inversionista ángel para el desarrollo temprano de aviones.

Como ocurre con muchos descubrimientos científicos innovadores, las ideas de Boltzmann fueron de naturaleza controvertida. No se demostró que gran parte de la mecánica estadística fuera cierta hasta muy tarde en la vida de Boltzmann e incluso después de su muerte. Fue nominado para los premios Nobel (que no se pueden otorgar póstumamente) varias veces antes de su muerte en 1903, 1905 y varias veces en 1906.

Las contribuciones de Boltzmann

Ludwig Boltzmann fue uno de los físicos más importantes del siglo XIX. Algunas de sus contribuciones más importantes se enumeran aquí.

• Fundó la mecánica estadística, que vinculó con éxito la termodinámica a las propiedades microscópicas de la materia.
• Contribuciones a la ley de radiación de Stefan-Boltzmann
• Contribuciones a la ley de distribución de Maxwell-Boltzmann
• Creación de la constante de Boltzmann
• Creación de la ecuación de Boltzmann para la entropía
• Creación de las ecuaciones de transporte de Boltzmann

Ecuación de Boltzmann para la entropía

La ecuación de Boltzmann para la entropía explica parte de la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía de un sistema aislado siempre aumentará hasta que alcance el equilibrio. La entropía es una medida del caos o desorden en el universo. La fórmula de Boltzmann para la entropía es la siguiente.

• {eq}S = kB\: logW {/eq}

La constante S es la entropía, W es la probabilidad y la constante k es la constante de Boltzmann. Esta ecuación establece que cuantas más configuraciones posibles haya de moléculas dentro de un sistema, mayor será la entropía de ese sistema.

Curiosamente, Boltzmann nunca escribió esta ecuación exacta. En cambio, descubrió las ideas importantes detrás de ellos mediante el uso de experimentos mentales y otros medios experimentales. Esta ecuación aplica las leyes de la estadística, la probabilidad y la mecánica a los átomos. Muestra que la segunda ley de la termodinámica ocurre cuando los átomos se acercan de manera predecible y medible a un estado de equilibrio termodinámico. Esto difería dramáticamente de la suposición anterior que utilizaban los científicos, que es la visión termodinámica de la entropía.

Ley de Stefan-Boltzmann

La ley de Stefan-Boltzmann establece que la energía térmica radiante total emitida por una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Esta es una ecuación particularmente interesante porque la conclusión a la que llega fue descubierta de forma independiente tanto por Stefan como por Boltzmann. En 1879, Stephan descubrió sus propiedades a través de medios experimentales. Boltzmann llegó a la misma conclusión a través de sus estudios de termodinámica en 1884, solo cinco años después.

La ecuación de la Ley de Stefan-Boltzmann se da como:

• {eq}E = \sigma T^4 {/eq}

Aquí E es la energía térmica radiante, sigma (σ) es la constante de proporcionalidad y T es la temperatura absoluta en Kelvin. La temperatura absoluta siempre se mide en Kelvins, ya que 0 grados en Kelvins representaría el cese total del movimiento molecular. Este concepto actualmente es todavía teórico y no ha sido probado experimentalmente.

Distribución de Maxwell-Boltzmann

James Maxwell fue un famoso físico británico. Juntos, Boltzmann y Maxwell colaboraron para desarrollar una ley que describe la distribución de energía de las moléculas dentro de un gas clásico a una temperatura específica. A medida que aumenta la temperatura, las moléculas se excitan más y tienden a moverse a mayor velocidad hasta cierto punto. El gráfico que se muestra en esta lección muestra la velocidad a lo largo del eje x y la probabilidad de que cierto número de moléculas se muevan a cierta velocidad en el eje y. Por lo tanto, este gráfico muestra el número de moléculas por unidad de velocidad, que en este caso son metros por segundo. En los gráficos de distribución de Maxwell-Boltzmann, el eje y a veces también se muestra como el número de moléculas. El pico de la curva suele ser la velocidad promedio de cada molécula dentro del gas a la temperatura dada.

Legado y muerte de Boltzmann

Ludwig Boltzmann luchó con una depresión severa durante toda su vida, junto con algunos otros problemas de salud mental informados. A veces tenía episodios de estados de ánimo muy altos y bajos. Murió por suicidio en Duino, Italia, el 5 de septiembre de 1906 mientras su esposa e hija nadaban. En ese momento, la ciudad de Duino todavía se consideraba parte de Austria.

Dejó un legado increíble como esposo y padre amoroso que hizo contribuciones increíbles a la física y al desarrollo de la mecánica estadística. También defendió el desarrollo del nuevo campo de la aviación. Su trabajo continúa dando forma a la sociedad, incluida la forma en que se desarrollaron escalas de temperatura como Kelvin. La ecuación de Boltzmann para la entropía fue grabada en su lápida y todavía se puede visitar hoy.

Resumen de la lección

Este famoso científico nació en Viena el 20 de febrero de 1844. La muerte de Ludwig Boltzmann fue por suicidio el 5 de septiembre de 1906 después de una lucha de por vida contra la depresión y otros problemas de salud mental. Se le recuerda como un esposo amoroso y padre de cuatro hijos. También fue un físico famoso que fundó la mecánica estadística , que combina las capacidades matemáticas de la estadística con aspectos de la mecánica clásica y cuántica. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado siempre aumentará hasta que alcance el equilibrio. La entropía es la medida del desorden en el universo. Algunos de los logros más importantes de Boltzmann son:

• Mecánica estadística fundada
• Contribuciones a la ley de radiación de Stefan-Boltzmann que mostró que la energía térmica radiante total transmitida desde una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta
• Contribución a la ley de distribución de Maxwell-Boltzmann que mostró la distribución de las moléculas de energía de un gas clásico.
• Creación de la constante de Boltzmann, la ecuación de Boltzmann para la entropía y las ecuaciones de transporte de Boltzmann

Ludwig Boltzmann fue un inversor ángel en los primeros intentos de la aviación. Fue nominado cinco veces para un premio Nobel entre 1902 y 1906, justo antes de su muerte, pero nunca recibió el honor. Los premios Nobel no pueden otorgarse a título póstumo. Sin embargo, su trabajo se conmemora en todo el mundo por haber dado forma al curso del descubrimiento científico que dio paso a la sociedad moderna tal como se la conoce hoy.