miniaturadeimagen|El 1698 Savery Motor — primera máquina de vapor comercialmente útil del mundo. Construido por Thomas Savery|alt= La historia de la termodinámica es una pieza fundamental en la historia de la física, la historia de la química, y la historia de la ciencia en general. Debido a la relevancia de la termodinámica en muchas áreas de la ciencia y la tecnología, su historia está finamente tejida con los desarrollos de la mecánica clásica, mecánica cuántica, magnetismo, y la cinética química, para aplicar a campos más distante tales como la meteorología, teoría de información, y biología (fisiología), y a desarrollos tecnológicos como la máquina de vapor, motor de combustión interna, criogenia y generación de electricidad. El desarrollo de la termodinámica fue motivado y dirigido por la teoría atómica. También, aunque de una manera sutil, motivó nuevas direcciones en probabilidad y estadística; vea, por ejemplo, la línea de tiempo de la termodinámica. Este es un evento histórico relativamente importante dentro dentro de la física.
La historia de la termodinámica como disciplina científica se considera generalmente que comienza con Otto von Guericke quien, en 1650, construyó y diseñó la primera bomba de vacío y demostró las propiedades del vacío usando sus hemisferios de Magdeburgo. Guericke fue impulsado a hacer el vacío con el fin de refutar la suposición de Aristóteles que «la naturaleza aborrece el vacío». Poco después de Guericke, el físico y químico Robert Boyle estudió y mejoró los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Con esta bomba, Boyle y Hooke observaron una correlación entre la presión, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formularon la ley de Boyle, indicando que para un gas a temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales y otras leyes de los gases.
En 1679, un asociado de Boyle, Denis Papin basándose en estos conceptos, construyó un digestor de vapor, que era un recipiente cerrado con una tapa de cierre hermético en el que el vapor confinado alcanzaba una alta presión, aumentando el punto de ebullición y acortando el tiempo de cocción de los alimentos.
En 1697, el ingeniero Thomas Savery, a partir de los diseños de Papin, construyó el primer motor térmico, seguido por Thomas Newcomen en 1712. Aunque estos primeros motores eran toscos y poco eficientes, atrajeron la atención de los científicos más destacados de la época.
En 1733, Bernoulli usó métodos estadísticos, junto con la mecánica clásica, para extraer resultados de la hidrodinámica, iniciando la física estadística.
En 1781 los conceptos de capacidad calorífica y calor latente, fueron desarrollados por el profesor Joseph Black de la Universidad de Glasgow, donde James Watt trabajó como fabricante de instrumentos. Watt consultó con Black en las pruebas de la máquina de vapor, pero fue Watt quien concibió la idea del condensador externo, aumentando grandemente la eficiencia de la máquina de vapor.
En 1783, Antoine Lavoisier propone la teoría calórica.
En 1798 Benjamin Thompson, conde de Rumford, demostró la conversión del trabajo mecánico en calor. alt=|miniaturadeimagen|Nicolas Léonard Sadi Carnot, considerado como el «padre de la termodinámica» Sobre la base de todo este trabajo previo, Sadi Carnot, el «padre de la termodinámica», publicó en 1824 Reflexiones sobre la energía motriz del fuego, un discurso sobre la eficiencia térmica, la energía, la energía motriz y el motor. El documento describe las relaciones básicas energéticas entre la máquina de Carnot, el ciclo de Carnot y energía motriz, marcando el inicio de la termodinámica como ciencia moderna.
El primer libro de texto sobre termodinámica fue escrito en 1859 por William Rankine, quien originalmente se formó como físico y profesor de ingeniería civil y mecánica en la Universidad de Glasgow. El primer y segundo principios de termodinámica surgieron simultáneamente en la década de 1850, principalmente por las obras de Germain Henri Hess, William Rankine, Rudolf Clausius, James Prescott Joule y William Thomson (Lord Kelvin).
Los fundamentos de la termodinámica estadística se establecieron por los físicos como James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius, Johannes van der Waals y Josiah Willard Gibbs.
Desde 1873 hasta el 76, el físico matemático estadounidense Josiah Willard Gibbs publicó una serie de tres artículos, siendo la más famosa Sobre el equilibrio de las sustancias heterogéneas. Gibbs demostró cómo los procesos termodinámicos, incluyendo reacciones químicas, se podrían analizar gráficamente. Mediante el estudio de la energía, la entropía, potencial químico, la temperatura y la presión del sistema termodinámico, se puede determinar si un proceso se produce espontáneamente. La termodinámica química y la fisicoquímica fueron desarrolladas además por Walther Nernst, Pierre Duhem, Gilbert N. Lewis, Jacobus Henricus van 't Hoff, y Théophile de Donder, entre otros, aplicando los métodos matemáticos de Gibbs.
También fueron de importancia para la termodinámica los desarrollos en termometría y manometría.
Historia
Contribuciones de tiempos ancestrales y medievales Los ancestros vieron el calor como algo relacionado al fuego. En el año 3000 antes de Cristo, los egipcios antiguos vieron al calor como algo relacionado con orígenes mitológicos. En la tradición filosófica Occidental, después de mucho debate sobre el elemento primordial entre los principales filósofos presocráticos, Empédocles propuso una teoría de cuatro elementos, en la cual todas las sustancias derivan de la tierra, agua, aire, y fuego. El elemento empedocleano del fuego es quizás el principal antecesor de conceptos posteriores tales como flogisto y caloría. Alrededor del año 500 AC, el filósofo griego Heráclito fue conocido como el «flux y fuego» filósofo debido a su expresión proverbial: «Todas las cosas están fluyendo». Heráclito argumentó que los tres elementos principales en naturaleza eran fuego, tierra, y agua. izquierda|miniaturadeimagen|266x266px|Calentando un cuerpo, como un segmento de proteína de hélice alfa (arriba), tiende a hacer que sus átomos vibren más, y para expandir o cambiar de fase, si se continúa calentando; un axioma de la naturaleza señalado por Herman Boerhaave en la década de 1700. El atomismo es una parte central de la actual relación entre la termodinámica y física estadística. Los antiguos pensadores tales como Leucipo y Demócrito, después los epicúreos, advirtiendo el atomismo, pusieron las bases para la posterior teoría atómica. Hasta que las pruebas experimentales confirmaron la existencia de los átomos en el , la teoría atómica estuvo conducida en gran parte por consideraciones filosóficas e intuición científica.
En el , el filósofo griego Parménides, en su único trabajo del que se sabe, un poema convencionalmente titulado Sobre la Naturaleza, utiliza razonamiento verbal para postular que un hueco, esencialmente lo que ahora se conoce como un vacío, en la naturaleza no podría ocurrir. Esta opinión fue apoyada por los argumentos de Aristóteles, pero fue criticado por Leucipo y Herón de Alejandría. Desde la antigüedad hasta la Edad Media se presentaron diversos argumentos para aprobar o refutar la existencia de un vacío y se hicieron varios intentos para construir un vacío, pero todos resultaron infructuosos.
Los científicos europeos Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei y Santorio Santorio en los siglos y fueron capaces de medir la relación «frío» o «calor» del aire, utilizando un termómetro de aire rudimentario (o termoscopio). Esto puede haber sido influido por un dispositivo más temprano el cual podría expandir y contraer el aire construido por Filón de Bizancio y Herón de Alejandría.
Alrededor del año 1600, el filósofo inglés y científico Francis Bacon conjeturó: «El calor en sí, su esencia y quididad es movimiento y nada más». En 1643, Galileo Galilei, mientras generalmente la aceptación de la «succión» explicación de horror vacui propuesto por Aristóteles, creyó que la naturaleza aborrece el vacío está limitado. Las bombas que operan en minas ya habían demostrado que la naturaleza solo llenaría un vacío con agua hasta una altura de 30 ~pies. Sabiendo este hecho curioso, Galileo animó a su antiguo alumno Evangelista Torricelli para investigar estas limitaciones supuestas. Torricelli no creyó que la naturaleza aborrece el vacío (Horror vacui) en el sentido de Aristóteles la «succión», era responsable de levantar el agua. Más bien, razonó, que era el resultado de la presión ejercida sobre el líquido por el aire circundante.
Para probar esta teoría, llenó un tubo largo de vidrio (sellado en un extremo) con mercurio y lo volcó en un plato que también contenía mercurio. Solo una parte del tubo estaba vacía; ~30 pulgadas del líquido quedaron. Cuando el mercurio vaciado, y un vacío parcial estuvo creado en la parte superior del tubo. La fuerza de la gravedad sobre el elemento pesado mercurio impidió rellenar el vacío.
Transición de la química a la termoquímica derecha|miniaturadeimagen|251x251px|Primer calorímetro de hielo del mundo, utilizado en el invierno de 1782-83, por Antoine Lavoisier y Pierre-Simon Laplace, para determinar el calor implicado en varios cambios químicos; cálculos que se basan en el descubrimiento previo de Joseph Black del calor latente. Estos experimentos marcan el fundamento de la Termodinámica. La teoría del flogisto surgió en el , al final del período de la alquimia. Su sustitución por la teoría calórica en el es uno de los marcadores históricos de la transición de la alquimia a la química. Flogisto era una sustancia hipotética que presumía ser liberada de sustancias combustibles durante la combustión, y de los metales durante el proceso de oxidación. La caloría, como el flogisto, también presumía ser la «sustancia» del calor que se derivaría de un cuerpo caliente a un cuerpo más frío calentándolo.
Los primeros retos experimentales sustanciales a la teoría calórica surgieron en la obra de Rumford 1798, cuando demostró que los cañones de hierro fundido producen grandes cantidades de calor los que atribuyó a la fricción, y su trabajo fue de los primeros en socavar la teoría calórica. El desarrollo de la máquina de vapor también centró la atención en la calorimetría y la cantidad de calor producido a partir de diferentes tipos de carbón. La primera investigación cuantitativa sobre los cambios de calor durante las reacciones químicas se inició por Lavoisier que utilizado un calorímetro de hielo después de la investigación de Joseph Black en el calor latente de agua.
Más estudios cuantitativos por James Prescott Joule en 1843 presentaron más adelante fenómenos profundamente reproducibles, y ayudaron a colocar el tema de la termodinámica sobre una base sólida. William Thomson, por ejemplo, todavía estaba tratando de explicar las observaciones de Joule dentro de un marco calórico en 1850. La utilidad y el poder explicativo de la teoría cinética, sin embargo, pronto comenzaron a desplazar a la teoría calórica y era en gran medida obsoleta a finales del . Joseph Black y Lavoisier hicieron contribuciones importantes en la medición precisa de los cambios de calor utilizando el calorímetro, un tema que se conoció como la termoquímica.
La termodinámica fenomenológica izquierda|miniaturadeimagen|190x190px|Robert Boyle. 1627-1691 La ley de Boyle (1662) La ley de Charles fue publicado por primera vez por Joseph Louis Gay-Lussac en 1802, pero hace referencia a trabajos no publicados por Jacques Charles alrededor de 1787. La relación había sido anticipada por el trabajo de Guillaume Amontons en 1702. La ley de Gay-Lussac (1802)
Nacimiento de la termodinámica como ciencia