Henry Cavendish

Vida tempranaEditar

Henry Cavendish nació el 10 de octubre de 1731 en Niza, donde su familia vivía en ese momento. Su madre era Lady Anne de Grey, cuarta hija de Henry Grey, primer duque de Kent, y su padre era Lord Charles Cavendish, tercer hijo de William Cavendish, segundo duque de Devonshire. El linaje de la familia se remonta a ocho siglos atrás, hasta la época normanda, y está estrechamente relacionado con muchas familias aristocráticas de Gran Bretaña. La madre de Enrique murió en 1733, tres meses después del nacimiento de su segundo hijo, Federico, y poco antes del segundo cumpleaños de Enrique, dejando a Lord Charles Cavendish la crianza de sus dos hijos. Henry Cavendish fue llamado «El honorable Henry Cavendish».

Desde los 11 años Henry asistió a la Newcome’s School, una escuela privada cerca de Londres. A los 18 años (el 24 de noviembre de 1748) ingresó en la Universidad de Cambridge, en el St Peter’s College, hoy conocido como Peterhouse, pero lo dejó tres años después, el 23 de febrero de 1751, sin licenciarse (en aquella época, una práctica habitual). Luego vivió con su padre en Londres, donde pronto tuvo su propio laboratorio.

Lord Charles Cavendish dedicó su vida primero a la política y luego cada vez más a la ciencia, especialmente en la Royal Society de Londres. En 1758, llevó a Henry a las reuniones de la Royal Society y también a las cenas del Royal Society Club. En 1760, Henry Cavendish fue elegido miembro de estos dos grupos, y desde entonces fue asiduo a su asistencia. Prácticamente no participó en la política, pero siguió a su padre en la ciencia, a través de sus investigaciones y su participación en organizaciones científicas. Participó activamente en el Consejo de la Royal Society de Londres (al que fue elegido en 1765).

Su interés y experiencia en el uso de instrumentos científicos le llevó a dirigir un comité para revisar los instrumentos meteorológicos de la Royal Society y a ayudar a evaluar los instrumentos del Real Observatorio de Greenwich. Su primer trabajo, Factitious Airs, apareció en 1766. Otros comités en los que participó fueron el comité de ponencias, que elegía los trabajos para su publicación en las Transacciones Filosóficas de la Royal Society, y los comités para el tránsito de Venus (1769), para la atracción gravitatoria de las montañas (1774) y para las instrucciones científicas de la expedición de Constantine Phipps (1773) en busca del Polo Norte y el Paso del Noroeste. En 1773, Henry se unió a su padre como administrador electo del Museo Británico, al que dedicó mucho tiempo y esfuerzo. Poco después de la creación de la Royal Institution de Gran Bretaña, Cavendish se convirtió en gerente (1800) y se interesó activamente, sobre todo en el laboratorio, donde observó y ayudó en los experimentos químicos de Humphry Davy.

Investigación químicaEditar

El aparato de Cavendish para fabricar y recoger hidrógeno

Cerca de la muerte de su padre, Cavendish comenzó a trabajar estrechamente con Charles Blagden, una asociación que ayudó a Blagden a entrar de lleno en la sociedad científica de Londres. A cambio, Blagden ayudó a mantener el mundo a distancia de Cavendish. Cavendish no publicó ningún libro y pocos artículos, pero consiguió muchos logros. Varias áreas de investigación, como la mecánica, la óptica y el magnetismo, aparecen ampliamente en sus manuscritos, pero apenas figuran en su obra publicada. Cavendish está considerado como uno de los llamados químicos neumáticos de los siglos XVIII y XIX, junto con, por ejemplo, Joseph Priestley, Joseph Black y Daniel Rutherford. Cavendish descubrió que, por la acción de ciertos ácidos sobre determinados metales, se producía un gas definido, peculiar y altamente inflamable, al que denominó «aire inflamable». Este gas era el hidrógeno, que Cavendish adivinó correctamente que se encontraba en una proporción de dos a uno en el agua.

Aunque otros, como Robert Boyle, habían preparado el gas hidrógeno con anterioridad, se suele atribuir a Cavendish el mérito de reconocer su naturaleza elemental. En 1777, Cavendish descubrió que el aire exhalado por los mamíferos se convertía en «aire fijo» (dióxido de carbono), y no en «aire flogístico» como había predicho Joseph Priestley. Además, al disolver álcalis en ácidos, Cavendish produjo dióxido de carbono, que recogió, junto con otros gases, en botellas invertidas sobre agua o mercurio. A continuación, midió su solubilidad en agua y su gravedad específica, y observó su combustibilidad. En su artículo de 1778 «Consideraciones generales sobre los ácidos» concluyó que el aire respirable constituye la acidez. Cavendish recibió la medalla Copley de la Royal Society por este trabajo. La química de los gases tuvo una importancia creciente en la segunda mitad del siglo XVIII, y fue crucial para la reforma de la química del francés Antoine-Laurent Lavoisier, conocida generalmente como la revolución química.

En 1783, Cavendish publicó un artículo sobre la eudiometría (la medición de la bondad de los gases para respirar). Describió un nuevo eudiómetro de su invención, con el que consiguió los mejores resultados hasta la fecha, utilizando lo que en otras manos había sido el método inexacto de medir los gases pesándolos. A continuación, tras la repetición de un experimento realizado por Priestley en 1781, Cavendish publicó un artículo sobre la producción de agua pura mediante la combustión de hidrógeno en «aire desflogisticado» (aire en proceso de combustión, que ahora se sabe que es el oxígeno).Cavendish llegó a la conclusión de que, en lugar de sintetizarse, la combustión de hidrógeno provocaba la condensación del agua del aire. Algunos físicos interpretaron el hidrógeno como flogisto puro. Cavendish comunicó sus conclusiones a Priestley a más tardar en marzo de 1783, pero no las publicó hasta el año siguiente. El inventor escocés James Watt publicó un artículo sobre la composición del agua en 1783; la controversia sobre quién hizo el descubrimiento primero tuvo lugar.

En 1785, Cavendish investigó la composición del aire común (es decir, atmosférico), obteniendo resultados impresionantemente precisos. Realizó experimentos en los que el hidrógeno y el aire ordinario se combinaban en proporciones conocidas y luego explotaban con una chispa de electricidad. Además, también describió un experimento en el que pudo eliminar, en terminología moderna, los gases de oxígeno y nitrógeno de una muestra de aire atmosférico hasta que sólo quedó una pequeña burbuja de gas sin reaccionar en la muestra original. Con sus observaciones, Cavendish observó que, una vez determinadas las cantidades de aire flogístico (nitrógeno) y de aire desflogístico (oxígeno), quedaba un volumen de gas que equivalía a 1/120 del volumen original de nitrógeno.Mediante cuidadosas mediciones llegó a la conclusión de que «el aire común está formado por una parte de aire desflogístico , mezclado con cuatro de flogístico».

En la década de 1890 (unos 100 años después) dos físicos británicos, William Ramsay y Lord Rayleigh, se dieron cuenta de que su recién descubierto gas inerte, el argón, era el responsable del problemático residuo de Cavendish; no había cometido un error. Lo que había hecho era realizar experimentos cuantitativos rigurosos, utilizando instrumentos y métodos estandarizados, con el objetivo de obtener resultados reproducibles; había tomado la media del resultado de varios experimentos y había identificado y permitido las fuentes de error. La balanza que utilizó, fabricada por un artesano llamado Harrison, fue la primera de las balanzas de precisión del siglo XVIII, y tan exacta como la de Lavoisier (que se ha estimado que mide una parte entre 400.000). Cavendish trabajó con sus constructores de instrumentos, generalmente mejorando los existentes en lugar de inventar otros totalmente nuevos.

Cavendish, como se ha indicado anteriormente, utilizó el lenguaje de la antigua teoría del flogisto en química. En 1787, fue uno de los primeros fuera de Francia en convertirse a la nueva teoría antiflogística de Lavoisier, aunque siguió siendo escéptico sobre la nomenclatura de la nueva teoría. También se opuso a que Lavoisier considerara que el calor tenía una base material o elemental. Trabajando en el marco del mecanicismo newtoniano, Cavendish había abordado el problema de la naturaleza del calor en la década de 1760, explicando el calor como el resultado del movimiento de la materia.

En 1783, publicó un trabajo sobre la temperatura a la que se congela el mercurio y en ese trabajo hizo uso de la idea de calor latente, aunque no utilizó el término porque creía que implicaba la aceptación de una teoría material del calor. Sus objeciones las hizo explícitas en su artículo de 1784 sobre el aire. A continuación, desarrolló una teoría general del calor, cuyo manuscrito se ha fechado de forma convincente a finales de la década de 1780. Su teoría era a la vez matemática y mecánica: contenía el principio de la conservación del calor (más tarde entendido como una instancia de conservación de la energía) e incluso incluía el concepto (aunque no la etiqueta) del equivalente mecánico del calor.

Densidad de la TierraEditar

Tras la muerte de su padre, Henry compró otra casa en la ciudad y también una casa en Clapham Common (construida por Thomas Cubitt), en ese momento al sur de Londres. La casa de Londres contenía la mayor parte de su biblioteca, mientras que guardaba la mayor parte de sus instrumentos en Clapham Common, donde realizaba la mayoría de sus experimentos. El más famoso de esos experimentos, publicado en 1798, consistió en determinar la densidad de la Tierra y se conoció como el experimento de Cavendish. El aparato que Cavendish utilizó para pesar la Tierra fue una modificación de la balanza de torsión construida por el inglés y geólogo John Michell, que murió antes de poder comenzar el experimento. El aparato fue enviado en cajas a Cavendish, quien completó el experimento en 1797-1798 y publicó los resultados.

El aparato experimental consistía en una balanza de torsión con un par de esferas de plomo de 2 pulgadas y 1,61 libras suspendidas del brazo de una balanza de torsión y dos bolas de plomo fijas mucho más grandes (350 libras). Cavendish pretendía medir la fuerza de atracción gravitatoria entre ambas. Se dio cuenta de que el aparato de Michell sería sensible a las diferencias de temperatura y a las corrientes de aire inducidas, por lo que realizó modificaciones aislando el aparato en una habitación separada con controles externos y telescopios para realizar las observaciones.

Usando este equipo, Cavendish calculó la atracción entre las bolas a partir del periodo de oscilación de la balanza de torsión, y luego utilizó este valor para calcular la densidad de la Tierra. Cavendish descubrió que la densidad media de la Tierra es 5,48 veces mayor que la del agua. John Henry Poynting señaló más tarde que los datos deberían haber conducido a un valor de 5,448, y de hecho ése es el valor medio de las veintinueve determinaciones que Cavendish incluyó en su artículo. Lo extraordinario del experimento de Cavendish fue la eliminación de toda fuente de error y de todo factor que pudiera perturbar el experimento, así como su precisión en la medición de una atracción asombrosamente pequeña, de apenas 1/50.000.000 del peso de las bolas de plomo. El resultado que Cavendish obtuvo para la densidad de la Tierra está dentro del 1 por ciento de la cifra actualmente aceptada.

El trabajo de Cavendish condujo a otros a valores precisos para la constante gravitacional (G) y la masa de la Tierra. Basándose en sus resultados, se puede calcular un valor para G de 6,754 × 10-11N-m2/kg2, que se compara favorablemente con el valor moderno de 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

Los libros suelen describir el trabajo de Cavendish como una medición de G o de la masa de la Tierra. Dado que éstas están relacionadas con la densidad de la Tierra mediante una red trivial de relaciones algebraicas, ninguna de estas fuentes es errónea, pero no coinciden con la elección exacta de palabras de Cavendish, y este error ha sido señalado por varios autores. El objetivo declarado de Cavendish era medir la densidad de la Tierra, aunque su resultado obviamente calcula G para hacerlo.

La primera vez que la constante recibió este nombre fue en 1873, casi 100 años después del experimento de Cavendish, pero la constante estaba en uso desde la época de Newton. Los resultados de Cavendish también dan la masa de la Tierra.

Investigación eléctricaEditar

Los experimentos eléctricos y químicos de Cavendish, como los relativos al calor, habían comenzado mientras vivía con su padre en un laboratorio de su casa de Londres. Lord Charles Cavendish murió en 1783, dejando casi todo su cuantioso patrimonio a Henry. Al igual que su teoría del calor, la teoría integral de la electricidad de Cavendish tenía forma matemática y se basaba en experimentos cuantitativos precisos. Publicó una primera versión de su teoría en 1771, basada en un fluido eléctrico expansivo que ejercía presión. Demostró que si la intensidad de la fuerza eléctrica era inversamente proporcional a la distancia, entonces el fluido eléctrico más que necesario para la neutralidad eléctrica se encontraría en la superficie exterior de una esfera electrificada; luego lo confirmó experimentalmente. Cavendish continuó trabajando en electricidad después de este artículo inicial, pero no publicó más sobre el tema.

Cavendish escribió artículos sobre temas eléctricos para la Royal Society, pero el grueso de sus experimentos eléctricos no se dio a conocer hasta que fueron recopilados y publicados por James Clerk Maxwell un siglo más tarde, en 1879, mucho después de que otros científicos se hubieran atribuido los mismos resultados. Los documentos eléctricos de Cavendish de las Transacciones Filosóficas de la Real Sociedad de Londres se han reimpreso, junto con la mayoría de sus manuscritos eléctricos, en The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Según la edición de 1911 de la Encyclopædia Britannica, entre los descubrimientos de Cavendish se encuentran el concepto de potencial eléctrico (que denominó «grado de electrificación»), una primera unidad de capacitancia (la de una esfera de una pulgada de diámetro), la fórmula de la capacitancia de un condensador de placas, el concepto de la constante dieléctrica de un material, la relación entre el potencial eléctrico y la corriente (ahora llamada Ley de Ohm) (1781), las leyes para la división de la corriente en circuitos paralelos (ahora atribuidas a Charles Wheatstone), y la ley del cuadrado inverso de la variación de la fuerza eléctrica con la distancia, ahora llamada Ley de Coulomb.

MuerteEditar

Cavendish murió en Clapham el 24 de febrero de 1810 (siendo uno de los hombres más ricos de Gran Bretaña) y fue enterrado, junto con muchos de sus antepasados, en la iglesia que hoy es la Catedral de Derby. La calle en la que vivía en Derby lleva su nombre. El Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge fue dotado por uno de los parientes posteriores de Cavendish, William Cavendish, séptimo duque de Devonshire (canciller de la Universidad de 1861 a 1891).