Historia de la termodinámica

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.[1] 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.

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 Epicúreanos, advirtiendo el atomismo, pusieron las bases para la posterior teoría atómica[la cita necesitada]. Hasta que las pruebas experimentales confirmaron la existencia de los átomos en el siglo XX, la teoría atómica estuvo conducida en gran parte por consideraciones filosóficas e intuición científica.

En el s. V a. C., 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 XVI y XVII 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.

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 de Calor latente. Estos experimentos marcan el fundamento de la Termodinámica.

La teoría de flogisto surgió en el siglo XVII, al final del período de la alquimia. Su sustitución por la teoría calórica en el siglo XVIII 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 reacciones las 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 siglo XIX. 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.

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)

En sus orígenes, la termodinámica era el estudio de motores. Un precursor del motor estuvo diseñado por el científico alemán Otto von Guericke quien, en 1650, diseñó y construyó la primera bomba de vacío y creó por primera vez vacío conocido como los Hemisferios de Magdeburgo. Fue conducido a realizar un vacío con el fin de refutar la suposición de Aristóteles de que la naturaleza aborrece el vacío.

Poco después, el físico y químico irlandés Robert Boyle había aprendido de los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Utilizando esta bomba, Boyle y Hooke notaron la correlación de presión-volumen : P.V=constante. En aquel momento, se asumió que el aire es un sistema de partículas inmóviles, y no se interpreta como un sistema de moléculas en movimiento. El concepto de movimiento térmico se produjo dos siglos más tarde. Por lo tanto la publicación de Boyle en 1660 habla sobre un concepto mecánico: la cámara de aire.[2] Más tarde, después de la invención del termómetro, la propiedad llamada temperatura podría ser cuantificada. Esta herramienta dio a Gay-Lussac la oportunidad de derivar su ley, lo que condujo poco después a la ley de los gases ideales. Pero, ya antes del establecimiento de la ley de los gases ideales, un socio de Boyle llamado Denis Papin construyó en 1679 un digestor de hueso, que es un recipiente cerrado con una tapa hermética que confina el vapor hasta que se genera una alta presión.

Los diseños más tardíos implementaron una válvula de escape de vapor para evitar la explosión de la máquina. Al observar la válvula rítmicamente moverse hacia arriba y hacia abajo, Papin concibió de la idea de un pistón y motor de cilindro. Él no obstante sigue adelante con su diseño. Sin embargo, en 1697, basado en los diseños de Papin, el ingeniero Thomas Savery construyó el primer motor. A pesar de que estos primeros motores eran toscos y poco eficientes, atrajeron la atención de los científicos más importantes de la época. Uno de estos científicos fue Sadi Carnot, el «padre de termodinámica», quien en 1824 publicó Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego, un discurso sobre el calor, poder, y la eficiencia del motor. Esto marca el inicio de la termodinámica como ciencia moderna.

Una máquina de vapor vatios, la máquina de vapor que impulsó la Revolución Industrial en Gran Bretaña y el mundo

Por lo tanto, antes de 1698 y la invención de la máquina de vapor, los caballos fueron utilizados para poleas eléctricas, unidos a los cubos, el cual elevó agua fuera de las minas de sal inundadas en Inglaterra. En los años a seguir, se construyeron más variaciones de las máquinas de vapor, como la máquina de Newcomen, y más tarde la máquina de vapor de vatio. Con el tiempo, estos motores tempranos finalmente serían utilizados en lugar de caballos. Así, cada motor empezó a ser asociado con una cierta cantidad de «caballos de potencia» dependiendo de la cantidad de caballos que había reemplazado. El problema principal con estos primeros motores era que eran lentos y torpes, convirtiendo menos de 2 % del combustible de entrada a trabajo útil. En otras palabras, cantidades grandes de carbón (o madera) tuvieron que ser quemados para ceder solo una fracción pequeña de producción de trabajo. De ahí nació la necesidad de una nueva ciencia de la dinámica del motor.

Sadi Carnot (1796-1832): el «padre» de la termodinámica

La mayoría citan el libro de Sadi Carnot 1824 Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego como el punto de partida para termodinámica como ciencia moderna. Carnot definió «Fuerza motriz» para ser la expresión del efecto útil que un motor es capaz de producir. En esta, Carnot nos presentó a la primera definición moderna de «trabajo»: peso levantado a través de una altura. El deseo de entender, vía formulación, este efecto útil en la relación a «trabajo» es el núcleo de toda la termodinámica moderna.

En 1843, James Joule encontró experimentalmente encontrado el equivalente mecánico de calor. En 1845, el Joule informó su mejor-experimento sabido, implicando el uso de un peso en descenso para hacer girar una rueda de paletas en un barril de agua, el cual le permitió estimar un equivalente mecánico de calor de 819 ft·lbf/Btu (4.41 J/cal). Esto condujo a la teoría de conservación de energía y explicar por qué el calor se convertir en trabajo.

En 1850, el famoso físico matemático Rudolf Clausius definió el término entropía S siendo el calor que se pierde o se convierte en residuos, derivada de la palabra griega entrepein palabra que significa a su vez para girar.

El nombre «termodinámica», sin embargo, no llegó hasta que 1854, cuándo el matemático y físico británico William Thomson (Lord Kelvin) acuñó el término termo-dinámica en su artículo Sobre la Teoría Dinámica del Calor.[3]

En asociación con Clausius, en 1871, el matemático y físico escocés James Clerk Maxwell formulando una nueva rama de la termodinámica llamada termodinámica estadística, que funciona para analizar un gran número de partículas en el equilibrio, es decir, los sistemas donde no hay cambios, de manera que solo sus propiedades medias como temperatura T, presión P, y volumen V se convierten en importantes.

Poco después, en 1875, el físico austriaco Ludwig Boltzmann formuló una conexión precisa entre entropía S y movimiento molecular:

${\displaystyle S=k\log W\,}$

Definiéndose en términos del número de estados posibles [W] que tal movimiento podría ocupar, en donde K es la constante de Boltzmann.

El año siguiente, 1876, era un punto fundamental en el desarrollo del pensamiento humano. Durante este período esencial, el ingeniero químico Willard Gibbs, la primera persona en Estados Unidos en recibir un doctorado en ingeniería (de Yale), publicó un documento de 300 páginas oscuras titulado: Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas, en el que formuló una gran igualdad, la ecuación de energía libre de Gibbs, que sugirió una medida de la cantidad de «trabajo útil» alcanzable en sistemas de reacción. Gibbs también originó el concepto que hoy conocemos como entalpía H, llamándolo «una función de calor de presión constante».[4] La palabra moderna entalpía se acuñó muchos años más tarde por Heike Kamerling Onnes,[5] que se basa en la palabra griega enthalpein cuyo significado es calentar.

A partir de estas bases, aquellos que Lars Onsager, Erwin Schrödinger, y Ilya Prigogine, y otros, funcionando para llevar estos motores de «conceptos» en la vía de casi todas las ramas de hoy en día de la ciencia.

La idea de que el calor es una forma de movimiento es quizás antigua y es ciertamente hablado por Francis Bacon en 1620 en su obra Novum Organum. La primera reflexión científica escrita de la naturaleza microscópica del calor es probablemente para ser encontrado en un trabajo por Mikhail Lomonosov, en la que escriba:

«(…) El movimiento no debe ser negado basado en el hecho de que no se ve. ¿Quién negaría que las hojas de los árboles se mueven cuando crujían por el viento, a pesar de ser observable desde grandes distancias? Al igual que en este caso el movimiento permanece oculto debido a la perspectiva, que permanece oculto en cuerpos calientes debido a los extremadamente pequeños tamaños de las partículas que se mueven. En ambos casos, el ángulo de visión es tan pequeño que ni el objeto ni su movimiento pueden ser vistos».

Durante los mismos años, Daniel Bernoulli publicó su libro Hidrodinámica(1738), en el cual se deriva una ecuación para la presión de un gas teniendo en cuenta las colisiones de los átomos con las paredes de un recipiente. Él demuestra que esta presión es de dos tercios de la energía cinética media de los gases en una unidad de volumen. Las ideas de Bernoulli, sin embargo, poco impacto en la cultura dominante de calorías. Bernoulli establece una conexión con el principio de la fuerza viva de Gottfried Leibniz, una primera formulación del principio de conservación de la energía, y las dos teorías se entrelazó íntimamente a lo largo de su historia. Aunque Benjamin Thompson sugirió que el calor era una forma de movimiento como resultado de sus experimentos en 1798, no se hizo ningún de reconciliar los enfoques teóricos y experimentales, y es poco probable que él estuviera pensando en el principio de la fuerza viva.

John Herapath formuló posteriormente de forma independiente una teoría cinética en 1820, pero utilizando la temperatura como un impulso en lugar de la fuerza viva o energía cinética por error asociado. Su trabajo no fue en última instancia de revisión por pares y fue descuidada. John James Waterston en 1843 proporcionó una cuenta en gran medida exacta, siempre de manera independiente, pero su trabajo recibió la misma recepción, a falta de revisión por pares, incluso de alguien tan bien dispuesto al principio cinético como Davy.

Nuevos avances en la teoría cinética no comenzaron hasta mediados del siglo XIX, con las obras de Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann. En su trabajo de 1857 Sobre la naturaleza del movimiento llamado calor, Clausius por primera vez establece claramente que el calor es la energía cinética media de las moléculas. Este interés que Maxwell, en 1859 derivó la distribución de los impulsos más adelante que lleva su nombre.

Boltzmann posteriormente generalizó su distribución para el caso de los gases en los campos externos. Boltzmann es quizás el factor que más contribuye a la teoría cinética, mientras presentaba muchos de los conceptos fundamentales de la teoría. Además de la distribución de Maxwell-Boltzmann que se ha mencionado anteriormente, también asocia la energía cinética de las partículas con sus grados de libertad. La ecuación de Boltzmann para la función de distribución de un gas en los estados de no equilibrio sigue siendo la ecuación más eficaz para el estudio de fenómenos de transporte en gases y metales. Al introducir el concepto de probabilidad termodinámica como el número de microestados que corresponden al micro estado actual, demostró que su logaritmo es proporcional a la entropía.