L'histoire de la thermodynamique classique tente de retracer l'origine et l'évolution des idées, des méthodes, des hommes et des connaissances de la thermodynamique, discipline étudiant le comportement thermique des corps et les changements d’état de la matière.
Dans un premier temps, la thermodynamique ne s'intéresse qu'aux phénomènes thermiques (chaleur, température) liés à des propriétés macroscopiques des systèmes étudiés, ainsi qu'à l'explication des machines à vapeur. Il s'agit de la « thermodynamique classique » dont plusieurs « principes » sont ainsi établis. Les propriétés physiques microscopiques de la matière étant par la suite mieux connues, la discipline étend son étude à des considérations statistiques permettant une meilleure explication des principes ; d'où le nom de « thermodynamique statistique ». L'article ci-présent ne s'intéresse qu'à la première acception de la thermodynamique.
Antiquité thumb|left|upright=0.6|L'éolipyle d'Héron d'Alexandrie.Illustration de 1876.
Amalgame sur le terme chaleur
Durant l'Antiquité, les physiciens ne font pas la distinction entre chaleur et température. Au terme « chaleur », ils associent à la fois la sensation sur le corps et le phénomène physique. Au , certains philosophes de la Grèce antique, et notamment Empédocle d'Agrigente, plaident pour une décomposition du monde en quatre éléments fondamentaux : l'eau, la terre, l'air et le feu. Selon Aristote, le chaud, le froid, le sec et l'humide forment les « quatre qualités fondamentales sous l'influence desquelles la matière première du monde forma les quatre éléments » ..
L'Éolipyle
Héron d'Alexandrie, ingénieur, mécanicien et mathématicien grec, conçoit l'éolipyle (« porte d'Éole »), machine pneumatique constituée d’une sphère fixée sur un axe et équipée de deux tubes coudés sortant en des points opposés. En chauffant l'eau contenue dans la sphère métallique, la vapeur d'eau formée donne, en s’échappant, un mouvement de rotation à la sphère. En effet, de cette chaudière sortent un tube relié à une sphère pouvant tourner autour d'un axe horizontal et deux autres tubes perpendiculaires à l'axe laissant sortir la vapeur qui, par propulsion, faisait tourner la sphère ..
Héron d'Alexandrie est dès lors un des premiers à démontrer qu'en fournissant de la chaleur à l'eau, le changement d'état de ce fluide permet de récupérer un travail.
Instruments de mesure
La notion de chaleur, ou plutôt de transfert thermique, n'est reconnue que tardivement comme discipline scientifique à part entière. Cela s'explique notamment par le manque d'instruments et de méthodes afin de la mesurer. Si bien que dès la conception d'instruments de mesure, la discipline put prendre de l'ampleur. Des recherches expérimentales sont entreprises, suivies d'une théorie mathématique.
Le terme thermomètre apparaît pour la première fois dans La récréation mathématique de P. Leurichon, publiée en 1624, dans laquelle il définit le thermomètre comme « un instrument pour mesurer les degrés de chaleur ou de froidure » R. Locqueneux (2004), chp. 1 - La thermométrie, L'histoire des thermomètres, .. Les premiers thermomètres connus sont conçus entre le et le par Galilée, lui permettant d'étudier les phénomènes de dilatation thermique. Néanmoins, ces premiers thermomètres sont très imprécis ..
L'intervention du physicien allemand Gabriel Fahrenheit durant le permet de diminuer les incertitudes de mesure grâce à de meilleurs instruments. Il construit ainsi dès 1709 des thermomètres à esprit de vin destinés aux observations météorologiques qui seront d'une inhabituelle précision et fidélité pour l'époque. Il établit pour cela une graduation précise en augmentant le nombre de divisions de celle d'Ole Rømer, une des premières graduations de l'histoire R. Locqueneux (2004), chp. 1 - La thermométrie, Les thermomètres de Fahrenheit, ..
Statut de la chaleur Conception des scientifiques du thumb|upright=0.8|L'agitation « peu ample et très rapide » des molécules est l'origine, selon René Descartes, de la chaleur.
De nombreux scientifiques ont apporté des réflexions et des explications différentes à la notion de chaleur. Francis Bacon est une figure importante dans l'histoire de la thermodynamique. En 1620, il défend la méthode expérimentale et mène de nombreuses observations sur la chaleur. Il suggère que la chaleur est reliée au mouvement (Novum Organum, livre II, XI).
Descartes interprète quant à lui la notion de chaleur rapportée aux « éléments de base de sa philosophie », à savoir l'étendue et le mouvement A. Brenner, M. Boudot (1990), Duhem, .. Contrairement à la conception scolastique qui considère la chaleur comme une quantité, Descartes considère qu'un corps est plus ou moins chaud selon que les particules qui le constituent ont un mouvement plus ou moins « peu ample et très rapide ». Il effectue ainsi un lien entre ce qu'il appelle « mouvement calorifique » et quantité de mouvement. Descartes définit de la manière suivante la notion de quantité de chaleur : « la quantité de chaleur qu'un corps dégage en se modifiant, c'est la diminution de quantité de mouvement qui anime les petites parties de ce corps ». Leibniz et Newton ont également retenu cette conception, même si Leibniz préfère considérer la force vive comme la résultante de ce mouvement A. Brenner, M. Boudot (1990), Duhem, ..
Théorie du calorique
Antoine Lavoisier, chimiste français, établit une théorie du calorique dans laquelle il note que la chaleur est un fluide élastique, le calorique, s'écoulant des corps chauds vers les corps froids. Le calorique est également perçu comme un gaz sans masse capable de pénétrer les solides et les liquides. Ainsi, selon Lavoisier, un corps est plus chaud s'il s'est combiné au calorique, gaz sans masse. L'explication de ce phénomène trouve ses origines dans la réfutation de la théorie du phlogistique, développée par Georg Ernst Stahl, qui considérait que la chaleur était un fluide dénommé phlogistique et que tous les matériaux inflammables contiennent du phlogiston, une substance incolore, inodore, impondérable qui se dégagerait en brûlant. Or Lavoisier, à la suite d'expériences, découvre que la combustion d'un corps nécessite de l'oxygène et que le poids du corps final est celui de l'objet « brulé » et de l'oxygène C. P. Lefebvre de Laboulaye (1868), Dictionnaire des arts et manufactures, ..
Il est plus simple d'admettre qu'un solide élastique puisse se combiner avec un gaz élastique formant un corps lui-même élastique plutôt que deux corps non élastiques ensemble. Dans cette nouvelle théorie, le calorique n'est plus un constituant initial du corps, mais le produit de la combustion entre deux corps. Il ajoute par ailleurs, à la suite d'une combustion de phosphore dans l'oxygène que « l'expérience prouve d'une manière évidente qu'à un certain degré de température, l'oxygène a plus d'affinité avec le phosphore qu'avec le calorique et qu'en conséquence, le phosphore décompose l'oxygène, qu'il s'empare de sa base et qu'alors le calorique qui devient libre, s'échappe et se dissipe en se répartissant dans les corps environnants ».
Joseph Black révolutionne
Chaleur latente et chaleur spécifique thumb|upright=0.7|Joseph Black fait une découverte, en 1761, modifiant la conception que les scientifiques ont de la chaleur. Gravure de James Heath d'après Henry Raeburn.
La théorie développée par Descartes demeure le fondement de la chaleur durant plus d'un siècle, jusqu'à la découverte par le chimiste et physicien écossais Joseph Black de l'existence de la chaleur spécifique. En effet, l'élévation d'un degré de la température d'un corps nécessite une quantité de chaleur différente selon le corps et selon la température à laquelle l'opération s'effectue. En 1761, Black découvre le phénomène de la chaleur latente, c'est-à-dire les échanges de chaleur liés à la fusion ou à l'évaporation d'une substance. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle l'eau continue d'absorber de la chaleur sans changement de température dès qu'elle change d'état.
Black, en mélangeant des poids de différentes matières à différentes températures, démontre la conservation de la chaleur s'échangeant entre les corps. Il met également en évidence que l'apport d'une même quantité de chaleur à des corps différents n'engendre pas la même élévation de température. Il définit alors un coefficient spécifique à chaque substance permettant de traduire ce phénomène, dénommée plus tard « chaleur spécifique » R. Locqueneux (2004), chp. 2 - Les théories de la chaleur, Joseph Black, .. L'éclairage apporté par Black est une véritable révolution et « rompt tout lien entre le sens que le mot chaleur a dans la langue vulgaire et le sens qu'il prend dans le langage des physiciens » A. Brenner, M. Boudot (1990), Duhem, ..
Dualité entre mouvement et matière
La relation entre chaleur et matière est désormais préférée à celle entre chaleur et mouvement. Ces découvertes s'expliquent notamment par le fait que le est marqué par des théories substantialistes plutôt que cartésiennes. La conception de la chaleur de Descartes était d'ailleurs une pierre d'achoppement dans les théories de Newton. Même si Joseph Black ne cautionne pas la théorie matérialiste, l'enseignement qu'il prodigue à l'université d'Édimbourg et la large diffusion de ses écrits contribuent à l'affirmation de la conception matérialiste, à savoir que la chaleur est un fluide impondérable et indestructible, aux yeux de l'opinion générale R. Locqueneux (2004), chp. 2 - Les théories de la chaleur, Joseph Black, ..
Néanmoins, Laplace et Lavoisier entament dans l'œuvre Mémoire sur la chaleur qu'ils écrivent en 1783, une réflexion sur l'hypothèse que le mouvement et la matière sont à l'origine, conjointement, de la chaleur. Cette dernière théorie, s'inspirant de théories newtoniennes, demeure très populaire auprès des savants de l'époque. « Laplace, si prudent et si réservé en 1783, allait devenir le plus ferme champion de la théorie du calorique » A. Brenner, M. Boudot (1990), Duhem, ..
Changement d'états thumb|upright=0.8|William Irvine lie la température d'un corps à sa quantité absolue de calorique.
Alors que Joseph Black finit par admettre dans les années 1790 que le changement d'état d'un corps serait dû à la « combinaison chimique » entre la chaleur — ou le calorique — et le corps en question, William Irvine, qui travailla avec lui sur la détermination des chaleurs latentes de vaporisation des corps, considère que la chaleur latente est l'effet d'une brusque modification de la capacité calorifique du fluide lors du changement d'état, et qu'il n'y a pas de ce fait de combinaison entre le corps et le calorique R. Locqueneux (2004), chp. 2 - Les théories de la chaleur, Joseph Black, ..
Irvine conclut, en prenant en compte le fait que la chaleur spécifique est indépendante de la température, que la quantité absolue de calorique dans un corps est proportionnelle à la chaleur spécifique du corps. Cette conception lie la température d'un corps à sa quantité absolue de calorique si bien qu'il est aisé de déterminer, en connaissant le calorique de chacun des corps, le calorique du composé final.