Todas las personas poseemos un sentido natural para calor y temperatura. Sin embargo, el desarrollo histórico de la termodinámica nos muestra lo extremadamente difícil que es sintetizar y entender dichos conceptos en términos físicos y matemáticos. Esta situación le ha producido dolores de cabeza a muchos grandes físicos. Por lo mismo, es interesante saber cómo se aclaró la naturaleza del calor.
Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado bastante en los dos últimos siglos.
Las experiencias de Joule (1818 – 1889) y Mayer (1814 – 1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo.
James Joule
Julius von Mayer
Ya en el siglo XVIII había físicos que entendían al calor como un tipo de movimiento. Así fue como la Teoría Cinética de Daniel Bernoulli proporcionó una definición estadística de calor con la medida mv2. Desafortunadamente sus ideas fueron olvidadas rápidamente. Muchas interpretaciones del concepto de calor se toparon principalmente con el fenómeno de su generación por fricción. Por ejemplo, en 1798 B. Thomson, Conde de Rumford, mostró en Munich que al taladrar cañones con brocas romas se puede generar mucho calor y que este es proporcional al trabajo realizado por el taladro. Sin embargo, la hipótesis dominante, sugerida por los métodos calorimétricos de medición, era que existía una sustancia nombrada caloricum que se conservaba y que fluía de cuerpo en cuerpo. Distintos materiales tendrían distintas capacidades para esta sustancia de fricción, y al friccionar dos cuerpos el caloricum sería literalmente extraido.
J. T. Mayer intentó explicar la contradicción con las observaciones de B. Thomson sugiriendo que el caloricum extraido era sustituido por caloricum de los alrededores que se introducía al cañón.
La hipótesis de la sustancia calórica fue apoyada por la Teoría de la Conducción del Calor desarrollada por J. B. Fourier entre 1811 y 1822. Hasta entonces existía sólo para la Mecánica una teoría matemática, fundada por Newton, mientras que la enseñanza de los fenómenos calóricos era empírica y tan sólo contenía caracteres descriptivos. Fourier fue el primero en lograr construir una teoría matemática del calor con su ecuación de conducción ρc ∂T ∂t = ∂ ∂x (κ ∂T ∂x ) y el Método de Series de Fourier utilizado por primera vez al resolverla. Partió de la hipótesis de la sustancia calórica y demostró que su teoría cumplía con la condición de la conservación del caloricum.
Jean-Baptiste Fourier
Fourier, quien tomó parte activa durante la Revolución Francesa, por lo que fue encarcelado y estuvo en Egipto con Napoleón, le daba mucha importancia al haber convertido a la enseñanza de los fenómenos calóricos en una ciencia rigurosa. Además, todos los partidarios del caloricum veían es su teoría un poderoso argumento a favor de su tesis.
No sorprende por lo tanto que incluso Sadi Carnot incluyera la conservación del caloricum, además de la conservación del trabajo, en sus famosos experimentos pensados sobre procesos cíclicos (1824). Supuso que la temperatura era el nivel de la energía potencial de la sustancia calórica y que el trabajo mecánico se desarrollaba cuando el caloricum pasaba de una temperatura a otra más baja, de la misma forma en que una caida de agua hace girar la rueda de un molino. Bajo dicha suposición pudo mostrar que la eficiencia del ciclo llamado por su nombre es independiente del material y de condiciones secundarias (W Q = f(θf , θc)). Sus reflexiones habrían sido exáctas si en vez de calor hubiera usado entropía, o bien si hubiera advertido que su calor no era el mismo que se medía con un calorímetro. De hecho, parece ser que lo notó, pues en sus obras póstumas se encuentra la sugerencia de que el calor es equivalente al trabajo, así como una estimación del valor en trabajo de una caloría. Con el tiempo se impuso la idea de que el calor es una forma de energía, lo que condujo finalmente a la Primera Ley de la Termodinámica.
En la historia de la termodinámica, las explicaciones iniciales sobre la naturaleza del calor se confundían con las explicaciones sobre la combustión. Tras introducir en el siglo XVII Johann Joachim Becher y Georg Ernst Stahl una teoría sobre la combustión basada en la existencia de un fluido al que llamaron flogisto, se creía que ese flogisto era la sustancia del calor.
Antoine Lavoisier
Fue Antoine Lavoisier quien ideó una nueva explicación de la combustión en términos de la existencia del gas oxígeno en la década de 1770. En su artículo «Réflexions sur le phlogistique» (1783), Lavoisier argumentó que la teoría del flogisto era incompatible con sus resultados experimentales, y propuso la existencia de un ‘fluido sutil’, al que llamó calórico, que sería la sustancia del calor. De acuerdo con su teoría, la cantidad de esta sustancia era constante en todo el universo y fluía desde los cuerpos cálidos a los más fríos. De hecho, Lavoisier fue uno de los primeros en utilizar un calorímetro para medir los cambios de calor durante una reacción química.
En la década de 1780, algunos científicos también creyeron que el frío era un fluido, «frigórico» («frigoric»). Pierre Prévost argumentó que el frío era simplemente una falta de calórico.
Dado que el calor era una sustancia material en la teoría calórica y que, por lo tanto, no podría ser creada ni destruida, la conservación del calor era una suposición central.
La introducción de la teoría calórica fue también influenciada por los experimentos que realizó Joseph Black y que relacionaban las propiedades térmicas de los materiales. Además de la teoría del calórico, existía otra teoría a finales del siglo XVIII que podía explicar el fenómeno del calor: la teoría cinética. Ambas teorías se consideraron equivalentes en su época, pero la teoría cinética era más moderna, ya que utilizaba un par de ideas de la teoría atómica y podía explicar tanto la combustión como la calorimetría.
En la actualidad, el calor es considerado como energía en tránsito, que cumple las leyes de la termodinámica.
El calor 