Historia de la termodinámica

El 1698 Savery Motor — primera máquina de vapor comercialmente útil del mundo. Construido por Thomas Savery

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.

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.

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.[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.

Transición de la química a termoquímica

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.

La termodinámica fenomenológica

Robert Boyle. 1627-1691

Nacimiento de la termodinámica como ciencia

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:

S = k log ⁡ W {\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.

Teoría cinética

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.

Ramas de la termodinámica

La siguiente lista recoge las principales ramas de la termodinámica y una fecha aproximada de cuándo se iniciaron:

Las ideas de la termodinámica se han aplicado también en otros campos, por ejemplo:

Entropía y la segunda ley

A pesar de que estaba trabajando con la Teoría calórica, Sadi Carnot en 1824 sugirió que algunas de las calorías disponibles para generar el trabajo útil se pierden en cualquier proceso real. En marzo de 1851, luchando para llegar a un acuerdo con el trabajo de James Prescott Joule, Lord Kelvin empezó a especular que había una pérdida inevitable de calor útil en todos los procesos. La idea estuvo enmarcada aún más dramáticamente por Hermann von Helmholtz en 1854, dando nacimiento al espectro de la muerte térmica del universo.

En 1854, William John Macquorn Rankine comenzó a utilizar en el cálculo de lo que llamó su función termodinámica. Posteriormente se ha demostrado que es idéntico al concepto de la entropía formulado por Rudolf Clausius en 1865. Clausius utilizó el concepto para desarrollar su declaración clásica del segundo principio de termodinámica el mismo año.

Transferencia de calor

El fenómeno de la conducción de calor se capta inmediatamente en la vida cotidiana. En 1701, Isaac Newton publicó su ley de enfriamiento. Sin embargo, en el siglo XVII, se llegó a creer que todos los materiales tenían una conductividad idéntica y que las diferencias en la sensibilidad surgieron de sus diferentes capacidades caloríficas.

Las sugerencias de que este podría no ser el caso procedían de la nueva ciencia de la electricidad en la que era fácilmente evidente que algunos materiales son buenos conductores eléctricos mientras que otros eran aislantes eficaces. Jan Ingenhousz en 1785-9 hizo algunas de las primeras mediciones, al igual que Benjamin Thompson durante el mismo periodo.

El hecho de que el aire caliente sube y la importancia del fenómeno de la meteorología fue lanzado por primera vez por Edmund Halley en 1686. John Leslie observó que el efecto de enfriamiento de una corriente de aire aumenta con su velocidad, en 1804.

Carl Wilhelm Scheele señaló la transferencia de calor distinguido por radiación térmica (calor radiante) de aquel por convección y conducción en 1777. En 1791, Pierre Prévost mostró que todos los cuerpos irradian calor, qué tan calientes o fríos son. En 1804, Leslie observó que una superficie mate negra irradia calor más eficazmente que una superficie pulida, lo que sugiere la importancia de la radiación del cuerpo negro. Aunque haya devenido para ser sospechado incluso de los trabajos de Scheele , en 1831 Macedonio Melloni demostró que la radiación del cuerpo negro podría ser reflejada, refractada y polarizada en la misma manera como la luz.

James Clerk Maxwell en 1862 la idea de que tanto la luz como el calor radiante eran formas de radiación electromagnética llevando al inicio del análisis cuantitativo de la radiación térmica. En 1879, Jožef Stefan observando que el flujo radiante total a partir de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura y se indica la Ley de Stefan-Boltzmann. La ley se derivó teóricamente por Ludwig Boltzmann en 1884.

Criogenia

En 1702 Guillaume Amontons introdujo el concepto del cero absoluto basado en observaciones de gases. En 1810, John Leslie congeló agua a hielo artificialmente. La idea de cero absoluto fue generalizada en 1848 por Lord Kelvin. En 1906, Walther Nernst declaró el tercer principio de termodinámica.

Anexo: Cronología de la termodinámca

Cronología de la termodinámca
Esta tabla es un extracto de Anexo:Cronología de la termodinámica § Cronología de la termodinámica.[editar]
Cronología de la termodinámica
Fecha País Acontecimiento Época
siglo V a. C. Bandera de Grecia Algunos filósofos de la Antigua Grecia, como Empédocles, abogan por una descomposicón del mundo en cuatro elementos básicos: agua, tierra, aire y fuego. Antigüedad
siglo V a. C. Bandera de Grecia Leucipo y Demócrito fundan el atomismo.
siglo I a. C. Bandera de Italia Lucrecio escribeun poema titulado De natura rerum describiendo el pensamiento de Epicuro.[6]​
1620 Bandera de Inglaterra Francis Bacon defiende el método experimental y lleva a cabo numerosas observaciones sobre el calor. Sugirió que el calor está relacionado con el movimiento.[7]​ siglo XVII
1644 Bandera de Italia Evangelista Torricelli tiene la idea de sustituir el mercurio en el agua en la denominada experiencia de Torricelli: puesta en evidencia del «grosso-vido»; suguieron los trabajos de Pascal (experiencia del Puy-de-Dôme, 1648)[8]​, y los trabajos de Robert Boyle (1682)[9]​ y los de Edme Mariotte (1676)[10]​ sobre la compresibilidad de los gases. Las bombas se mejoraron, Christian Huygens y Denis Papin (1691)[11]​ crearon el primer motor hacia 1690.
1650 Bandera de Alemania Otto von Guericke construye la primera bomba de vacío.[12]​
1660 Bandera de Irlanda Robert Boyle descubre experimentalmente la ley de Boyle, que relaciona la presión y el volumen de un gas (publicada en 1662).[13]​
1665 Bandera de Inglaterra Robert Hooke publica su libro Micrographia, en el que afirma: «el calor no es más que una agitación muy vigorosa y vehemente de las partes de un cuerpo»[14]​
1669 Bandera de Alemania Johann Joachim Becher, en su libro Physica subterranea, propone una teoría de la combustión que implica la existencia de un principio combustible, la tierra grasa o tierra oleaginosa (en latín: terra pinguis).[15]​
1679 Bandera de Francia Denis Papin diseña un digestor a vapor que inspiró el desarrollo del sistema motor pistón y cilindro de vapor.
1686 Bandera de Alemania Gottfried Leibniz desarrolla el concepto de vis viva, una versión limitada de la conservación de la energía.[16]​
1697 Bandera de Alemania Georg Ernst Stahl renombra la tierra grasa de Becher como flogisto y desarrolla la teoría del flogisto.[17]​
1698 Bandera de Inglaterra Thomas Savery patenta un temprano motor de vapor.[18]​
1702 Bandera de Francia Guillaume Amontons introduce el concepto de cero absoluto, basándose en observaciones de los gases. siglo XVIII
1738 Bandera de Suiza Daniel Bernoulli publica Hydrodynamica, iniciando la teoría cinética de los gases.[19]​
1749 Bandera de Francia Émilie du Châtelet, en su traducción al francés y comentario de los Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Newton, deriva la conservación de la energía a partir de los primeros principios de la mecánica newtoniana.
1761 Bandera de Escocia Joseph Black descubre que el hielo absorbe calor sin cambiar su temperatura cuando se está derritiendo, lo que lo condujo a establecer el concepto de calor latente.[20]​
1772 Bandera de Escocia Daniel Rutherford, un alumno de Black, descubre el nitrógeno,[21]​[22]​ que él llama phlogisticated air (aire flogisticado), y juntos explican los resultados en términos de la teoría del flogisto.
1776 Bandera de Inglaterra John Smeaton publica un artículo sobre experimentos relacionados con la energía, el trabajo, el momentum, y la energía cinética, apoyánsose en la conservación de la energía.
1777 Bandera de Suecia Carl Wilhelm Scheele distingue la transferencia de calor por radiación térmica de la convección y conducción.
1783 Bandera de Francia Antoine Lavoisier descubre el oxígeno y desarrolla una explicación de la combustión; en su artículo «Réflexions sur le phlogistique», desaprueba la teoría del flogisto y propone la teoría calórica.[23]​
1784 Bandera de Nueva Zelanda Jan Ingenhousz describe el movimiento browniano de las partículas de carbón vegetal en el agua.
1788 Bandera de Suiza Pierre Prévost muestra que todos los cuerpos irradian calor, no importa lo caliente o frío que estén.[24]​
1798 Bandera del Reino Unido El conde Rumford (Benjamin Thompson) publica su artículo An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction detallando mediciones del calor de fricción generado en el mecanizado de los cañones y desarrolla la idea de que el calor es una forma de energía cinética; sus medidas eran incompatibles con la teoría calórica, pero también eran lo suficientemente imprecisas como para dejar lugar a dudas.[25]​
1802 Bandera de Francia Joseph Louis Gay-Lussac publicó la ley de Charles, descubierta (pero no publicada) por Jacques Charles hacia 1787; muestra la dependencia entre la temperatura y el volumen. Gay-Lussac también formula la ley que relaciona la temperatura con la presión (la ley de la presión, o ley de Gay-Lussac) 1800-1849
1804 Bandera de Escocia Sir John Leslie observa que una superficie negra mate irradia calor con mayor eficacia que una superficie pulida, sugiriendo la importancia de la radiación del cuerpo negro.[26]​
1805 Bandera del Reino Unido William Hyde Wollaston defiende la conservación de la energía en On the Force of Percussion.[27]​
1808 Bandera de Inglaterra John Dalton defiende la teoría calórica en A New System of Chemistry y describe cómo se combina con la materia, especialmente con los gases; propone que la capacidad calorífica de los gases varía inversamente con el peso atómico.[28]​
1810 Bandera de Escocia Leslie congela agua artificialmente convirtiéndola en hielo.[29]​
1813 Bandera del Reino Unido Peter Ewart apoya la idea de la conservación de la energía en su artículo On the measure of moving force (Sobre la medida de la fuerza motriz); el artículo influye fuertemente en Dalton y su alumno, James Joule.
1819 Bandera de Francia Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit enuncian la ley de Dulong-Petit para la capacidad calorífica específica de un cristal.[30]​
1820 Bandera de ? John Herapath desarrolla algunas ideas sobre la teoría cinética de los gases, pero erróneamente asocia la temperatura con el momentum molecular en lugar de con la energía cinética; su trabajo recibe poca atención salvo la de Joule.
1822 Bandera de Francia Joseph Fourier introduce formalmente el uso de las dimensiones en las cantidades físicas en su Théorie Analytique de la Chaleur.[31]​
1822 Bandera de Francia Marc Seguin escribe a John Herschel apoyando la conservación de la energía y la teoría cinética.
1824 Bandera de Francia Sadi Carnot analiza la eficiencia de las máquinas de vapor usando la teoría calórica; desarrolla la noción de un proceso reversible y, al postular que no existe tal cosa en la naturaleza, sienta las bases de la segunda ley de la termodinámica, y el inicio de la ciencia de la termodinámica.][32]​
1827 Bandera de Escocia Robert Brown descubre el movimiento browniano del polen y partículas de colorante en el agua.[33]​ Esta observación ya había sido hecha por varios experimentadores desde Stephen Gray en 1695.[34]​
1831 Bandera de Italia Macedonio Melloni demuestra que la radiación del cuerpo negro puede ser reflejada, refractada y polarizada en la misma forma que la luz.[35]​
1834 Bandera de Francia Émile Clapeyron populariza el trabajo de Carnot mediante una formulación gráfica y analítica. También combina la ley de Boyle, la ley de Charles, y la ley de Gay-Lussac para producir una ley general de los gases (PV/T = k).[36]​
1841 Bandera de Alemania Julius Robert von Mayer, un científico amateur, escribe un artículo sobre la conservación de la energía, pero su falta de formación académica lleva a su rechazo. Será publicado más adelante, en 1845.[37]​
1842 Bandera de Alemania Mayer hace una conexión entre el trabajo, el calor y el metabolismo humano basándose en sus observaciones de la sangre hechas mientras era cirujano de un barco; calcula el equivalente mecánico del calor.
1842 Bandera de Gales William Robert Grove demuestra la disociación térmica de las moléculas en sus átomos constituyentes, mostrando que el vapor puede ser disociado en oxígeno e hidrógeno, y el proceso revertido.
1843 Bandera de Escocia John James Waterston expone completamente la teoría cinética de los gases,[38]​ pero según D Levermore «no hay evidencia de que ningún científico físico haya leído el libro; tal vez se pasó por alto debido a su título engañoso, Thoughts on the Mental Functions [Pensamientos sobre las funciones mentales]».[39]​
1843 Bandera de Inglaterra James Prescott Joule encuentra experimentalmente el equivalente mecánico del calor.[40]​
1845 Bandera de Francia Henri Victor Regnault agrega la ley de Avogadro a la ley general de los gases para producir la ley de los gases ideales (PV = nRT).
1846 Bandera de ? Karl-Hermann Knoblauch publica De calore radiante disquisitiones experimentis quibusdam novis illustratae
1846 Bandera de Gales Grove publica una reseña de la teoría general de la conservación de la energía en On The Correlation of Physical Forces.[41]​
1847 Bandera de Alemania Hermann von Helmholtz publica una declaración definitiva de la conservación de la energía, la primera ley de la termodinámica.[42]​
1848 Bandera del Reino Unido William Thomson extiende el concepto del cero absoluto de los gases a todas las substancias.[43]​
1849 Bandera de Escocia William John Macquorn Rankine calcula la relación correcta entre la presión de vapor de saturación y la temperatura utilizando su hipótesis de vórtices moleculares.[44]​
1850 Bandera de Escocia Rankine utiliza su teoría del vórtice para establecer relaciones precisas entre la temperatura, la presión y la densidad de los gases, y las expresiones para el calor latente de evaporación de un líquido; predice con precisión el hecho sorprendente de que el calor específico aparente de vapor saturado sea negativo. 1850-1899
1850 Bandera de Alemania Rudolf Clausius da la primera declaración conjunta clara de la primera y segunda leyes de la termodinámica, abandonando la teoría del calórico, pero conservando el principío de Carnot. También acuña el término «entropía» (das Wärmegewicht, simbolizado S) para denotar el calor perdido o convertido en desperdicio. ("Wärmegewicht" se traduce literalmente como "peso de calor"; el término inglés correspondiente proviene del griego τρέπω, "yo giro").[45]​
1851 Bandera del Reino Unido Thomson da una declaración alternativa de la segunda ley de la termodinámica.
1852 Bandera del Reino Unido Joule y Thomson demuestran que una rápida expansión de un gas enfría, más tarde llamado el efecto Joule-Thomson o efecto Joule-Kelvin.[46]​
1854 Bandera de Alemania Helmholtz propone la idea de la muerte térmica del universo.
1854 Bandera de Alemania Clausius establece la importancia de dQ/T (teorema de Clausius), pero todavía no nombra la magnitud.
1854 Bandera de Escocia Rankine introduce su función termodinámica, posteriormente identificada como entropía.
1856 Bandera de Alemania August Krönig publica una reseña de la teoría cinética de los gases, probablemente después de leer la obra de Waterston.[47]​
1857 Bandera de Alemania Clausius ofrece un relato moderno y convincente de la teoría cinética de los gases en su On the nature of motion called heat [Sobre la naturaleza del movimiento llamado calor].[48]​
1859 Bandera de Escocia James Clerk Maxwell descubre la la ley de distribución de velocidades moleculares.[49]​
1859 Bandera de Alemania Gustav Kirchhoff muestra que la emisión de energía de un cuerpo negro es una función sólo de la temperatura y la frecuencia.[50]​
1862 Bandera de Alemania Clausius define la "disgregación", una precursora de la entropía, como la magnitud del grado de separación de las moléculas de un cuerpo.
1865 Bandera de Alemania Clausius introduce el moderno concepto macroscópico de entropía.
1865 Bandera de Austria Johann Josef Loschmidt aplica la teoría de Maxwell para estimar el número de densidad de las moléculas en los gases, dando las viscosidades observadas de los gases.
1867 Bandera de Escocia Maxwell establece las leyes de difusión en un gas que contenga varias especies.[51]​
1867 Bandera de Escocia Maxwell se pregunta si el demonio de Maxwell podría revertir procesos irreversibles.[52]​
1870 Bandera de Alemania Clausius prueba el teorema de virial escalar.[53]​
1871 Bandera de Eslovenia Jožef Stefan establece la ley de difusión en un medio que comprende varios componentes (ecuaciones de Stefan-Maxwell)[54]​
1872 Bandera de Austria Ludwig Boltzmann establece la ecuación de Boltzmann para el desarrollo temporal de las funciones de distribución en el espacio de fase, y publica su teorema H.[55]​
1873 Bandera de los Países Bajos Johannes van der Waals da su famosa ecuación de estado de Van der Waal.[56]​
1874 Bandera del Reino Unido Thomson declara formalmente la segunda ley de la termodinámica.
1875-1878 Pierre Duhem y Willard Gibbs introducen el potencial termodinámico.[57]​·[58]​
1876 Bandera de Estados Unidos Josiah Willard Gibbs publica el primero de dos artículos (el segundo aparece en 1878), que tratan sobre el equilibrio de fases, los colectividades estadísticas y la energía libre como la fuerza impulsora detrás de las reacciones químicas y la termodinámica química en general.[59]​
1876 Bandera de Austria Loschmidt critica el teorema H de Boltzmann por ser incompatible con la reversibilidad microscópica (paradoja de Loschmidt).[60]​ El argumento ya había sido planteado por Lord Kelvin en 1874.
1877 Bandera de Austria Boltzmann establece la relación entre la entropía y probabilidad, la fórmula de Boltzmann.[55]​
1879 Bandera de Eslovenia Stefan observa que el flujo radiante total de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura y establece la ley de Stefan-Boltzmann.[61]​
1884 Bandera de Austria Boltzmann deriva la ley del flujo radiante del cuerpo negro de Stefan-Boltzmann a partir de consideraciones termodinámicas.[62]​
1888 Bandera de Francia Henri-Louis Le Chatelier establece su principio de Le Châtelier de que la respuesta de un sistema químico en equilibrio perturbado será contrarrestar la perturbación.][63]​
1886 Bandera de los Países Bajos Jacobus Henricus van 't Hoff relaciona el equilibrio químico con el estado termodinámico.[64]​ (Relación de van 't Hoff).
1889 Bandera de Alemania Walther Nernst refiere el voltaje de las células electroquímicas a su termodinámica química mediante la ecuación de Nernst.
1889 Bandera de Suecia Svante Arrhenius introduce la idea de la energía de activación para las reacciones químicas, dando la ecuación de Arrhenius.
1893 Bandera de Alemania Wilhelm Wien descubre la ley de desplazamiento para una máxima intensidad específica de un cuerpo negro.[65]​
1894 Bandera de Francia Pierre Curie establece las consecuencias de ciertas propiedades de invariancia en las propiedades termodinámicas.[66]​
1896 Bandera de Alemania Ernst Zermelo publica su crítica del teorema H de Boltzmann llamada paradoja de Zermelo.[67]​
1900 Bandera de Alemania Max Planck sugiere que la luz puede ser emitida en frecuencias discretas, dando a su ley de radiación del cuerpo negro.[68]​ 1900-1944
1902 Bandera de Estados Unidos Gibbs introduce la noción de fluctuación alrededor del equilibrio termodinámico.[69]​
1905 Bandera de Alemania Albert Einstein, en el primero de sus artículos del annus mirabilis, sostiene que la existencia de los quanta de energía podría explicar el efecto fotoeléctrico.[70]​
1905 Bandera de Alemania Einstein analiza matemáticamente el movimiento browniano como resultado de movimientos moleculares aleatorios en su artículo «Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen» [Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario exigido por la teoría cinético-molecular del calor].[71]​
1906 Bandera de Alemania Nernst presenta una formulación de la tercera ley de la termodinámica.
1906 Bandera de ? Marian Smoluchowski desarrolla los métodos asociados con los movimientos aleatorios.[72]​
1907 Bandera de Alemania Einstein usa la teoría cuántica para calcular la capacidad calorífica de un sólido de Einstein.[73]​
1907 Bandera de Francia Paul Langevin desarrolla la ecuación de Langevin para el movimiento browniano.[74]​
1909 Bandera de Grecia Constantin Carathéodory desarrolla un sistema axiomático de la termodinámica.[75]​
1910 Bandera de Alemania Einstein y Marian Smoluchowski encuentran la relación de Einstein-Smoluchowski para el coeficiente de atenuación debido a las fluctuaciones de densidad en un gas.[76]​
1911 Bandera de Austria Paul Ehrenfest y Tatjana Ehrenfest-Afanassjewa publican su revisión clásica de la mecánica estadística de Boltzmann, Begriffliche Grundlagen der statistischen Auffassung in der Mechanik.[77]​
1912 Bandera de Estados Unidos Peter Debye da una estimación mejorada de la capacidad de calor al permitir fonones de baja frecuencia.[78]​
1916-1917 Bandera de ? Sydney Chapman[79]​ y David Enskog[80]​ desarrollan sistemáticamente la teoría cinética de los gases y resuelven la ecuación de Boltzmann para gases (método de Chapman-Enskog).
1916 Bandera de Alemania Einstein considera la termodinámica de las líneas espectrales atómicas y predice la emisión estimulada.[81]​
1919 Bandera de Inglaterra James Jeans descubre que las constantes dinámicas del movimiento determinan la función de distribución de un sistema de partículas.
1920 Bandera de la India Meghnad Saha declara su ecuación de ionización.[82]​
1923 Bandera de ? Debye y Erich Huckel publican el tratamiento estadístico de la disociación de electrolitos (teoría de Debye-Hückel).[83]​
1924 Bandera de la India Satyendra Nath Bose introduce las estadística de Bose-Einstein, en un artículo traducido por Einstein.[84]​
1926 Enrico Fermi[85]​ y Paul Dirac[86]​ introducen estadística de Fermi-Dirac para los fermiones.[87]​·[88]​
1927 Bandera de Estados Unidos John von Neumann iintroduce la representación de la matriz densidad,[89]​ estableciendo la mecánica estadística cuántica.
1928 Bandera de Estados Unidos John B. Johnson descubre el ruido de Johnson en un resistor.[90]​[91]​
1928 Bandera de Suecia Harry Nyquist deriva el teorema de fluctuación-disipación, una relación para explicar el ruido de Johnson en un resistor.[92]​
1929 Bandera de Noruega Lars Onsager publica su innovador artículo derivando las relaciones de reciprocidad de Onsager.[93]​
1930 y 1934 Bandera de Noruega Norbert Wiener y Alexandre Khintchine establecer el teorema de Wiener-Khintchine para procesos aleatorios.[94]​[95]​
1931 Bandera de Noruega Onsager establece las propiedades de simetría para los coeficientes de transferencia (relaciones de reciprocidad de Onsager)..[96]​[97]​
1932 Bandera de Estados Unidos von Neumann extiende el concepto de entropía a la mecánica cuántica.[98]​
1935 Bandera de Francia Jacques Yvon introduce la noción de función de distribución en N partículas que se utilizó más tarde en la jerarquía BBGKY.[99]​
1937 Bandera de la Unión Soviética Lev Landau generaliza el concepto de cambio de fase.[100]​
1938 Bandera de Rusia Anatoly Vlasov generaliza la ecuación de Boltzmann a plasmasy propone la ecuación de Vlasov para una correcta descripción dinámica de los conjuntos de partículas con interacción colectiva de largo alcance.[101]​[102]​
1939 Bandera de Rusia Nikolay Krylov y Nikolai Bogolyubov dan la primera derivación microscópica consistente de la ecuación de Fokker-Planck en el esquema sencillo de la mecánica clásica y cuántica.[103]​[104]​
1940, 1948 Hendrik Anthony Kramers (1940)[105]​ y José Enrique Moyal (1949)[106]​ establecer la expansión de Kramers-Moyal para simplificar el estudio de un proceso estocástico.
1942 Bandera de Estados Unidos Joseph L. Doob declara su teorema sobre el proceso de Gauss-Markov.[107]​
1943, 1956 Bandera de Austria Erwin Schrödinger define la entropía negativa en su libro ¿Qué es la vida?.[108]​[109]​ El concepto fue desarrollado por Léon Brillouin en 1956.[110]​ (tentativa inacabada).
1944 Bandera de Noruega Onsager da una solución analítica para el modelo de Ising en 2 dimensiones, incluyendo su transición de fase.[111]​
1945-1946 Bandera de Rusia Bogoliubov desarrolla un método general para una derivación microscópica de las ecuaciones cinéticas para los sistemas estadísticos clásicos usando la jerarquía BBGKY.[112]​[113]​ 1945-presente
1945 Bandera de los Países Bajos Hendrik Casimir generaliza las relaciones de reciprocidad de Onsager.[114]​
1946 Bogolyubov, Max Born, Herbert Green y John Kirkwood establecen la jerarquía BBGKY.[112]​[113]​[115]​[116]​
1947 Bandera de Bélgica Ilya Prigogine establece las leyes que rigen el estructuras disipativas.[117]​
1947 Bandera de Rusia Bogolyubov y Kirill Gurov extienden la jerarquía BBGKY para una derivación microscópica de las ecuaciones cinéticas para sistemas estadísticos cuánticos.[118]​
1948 Bandera de Estados Unidos Claude Elwood Shannon establece la teoría de la información y desarrolla la entropía de Shannon.[119]​[120]​
1949, 1996 Bandera de Estados Unidos Harold Grad[121]​ propone un método de momento para resolver la ecuación de Boltzmann. David Levermore mejorará su cierre resumido usando polinomios de Hermite[122]​ y en 1996 con un cierre entrópico.
1951 Bandera de Estados Unidos 1951 – Herbert Callen y Theodore Welton establecer el teorema de fluctuación-disipación que vincula las fluctuaciones en la vecindad del equilibrio termodinámico con la disipación en el medio.[123]​
1952 Bandera de Austria Peter Mazur enuncia la propiedad de producción mínima de entropía en un medio abierto.[124]​
1954, 1956 Robert Zwanzig (1954) y Hazime Mori (1956) ponen a punto el método del proyector de Mori-Zwanzig en teoría de la respuesta lineal.[125]​[126]​[127]​
1954, 1957 Melville Green (1954) y Ryōgo Kubo (1957) proporcionan el vínculo entre el coeficiente de transporte y la fluctuación en la vecindad del equilibrio termodinámico (relación de Green-Kubo).[128]​·[129]​
1957 Bandera de Rusia Aleksandr Solomonovich Kompaneets, a partir de la ecuación de Fokker-Planck, explica la dispersión Compton inversa de electrones en un campo intenso de fotones: la «comptonización».[130]​
1957 Bandera de Japón Ryogo Kubo deriva la primera de las relaciones de Green-Kubo para coeficientes de transporte lineal.[131]​
1957 Bandera de Estados Unidos Edwin T. Jaynes publica dos artículos que detallan la interpretación de MaxEnt de la termodinámica a partir de la teoría de la información.[132]​[133]​
1960-1965 Bandera de ? Dmitry Zubarev desarrolla el método del operador estadístico de no equilibrio, que se convierte en una herramienta clásica en la teoría estadística de los procesos de no equilibrio.[134]​
1963 Bandera de Estados Unidos Bernard Coleman y Walter Noll proponer un enfoque alternativo a la termodinámica de no equilibrio (tentativa inacabada).[135]​
1965 Bandera de ? George Hatsopoulos y Joseph Henry Keenan reformulan el segundo principio en forma de ley de equilibrio de un sistema.[136]​
1972 Bandera de Estados Unidos Jacob Bekenstein sugiere que los agujeros negros tienen una entropía proporcional a su área superficial.[137]​
1974 Bandera de Inglaterra Stephen Hawking predice que los agujeros negros podrían radiar partículas con un espectro de cuerpo negro que pueden causar la evaporación de un agujero negro.
1977 Bandera de Bélgica Ilya Prigogine obtiene el premio Nobel de Química por su trabajo sobre estructuras disipativas en sistemas termodinámicos alejados del equilibrio. La importación y disipación de energía podría revertir la segunda ley de la termodinámica.
1983 Amir Caldeira y Anthony Leggett publican su trabajo sobre sistemas cuánticos disipativos (modelo Caldeira-Leggett).[138]​
1988 David Jou, José Casa-Vásquez y Georgy Lebon proponer la termodinámica extendida (extended thermodynamics) incluyendo en las incógnitas de los problemas los flujos de esas mismas magnitudes (tentativa inacabada).[139]​
1996 Bandera de Estados Unidos Adrian Bejan propone la teoría constructal (tentativa inacabada).[140]​

Véase también

Referencias

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Notas

Otras lecturas

  • Cardwell, D.S.L. (1971). From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age. London: Heinemann. ISBN 0-435-54150-1. 
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Enlaces externos

  • History of Statistical Mechanics and Thermodynamics - Timeline (1575 to 1980) @ Hyperjeff.net
  • History of Thermodynamics - University of Waterloo
  • Thermodynamic History Notes - WolframScience.com
  • Brief History of Thermodynamics - Berkeley [PDF]
  • History of Thermodynamics - ThermodynamicStudy.net
  • Historical Background of Thermodynamics - Carnegie-Mellon University
  • History of Thermodynamics - In Pictures
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