(1791-1867)
Em 1800, Alessandro Volta inventou a bateria eléctrica (conhecida da pilha voltaica) e assim melhorou a forma como as correntes eléctricas também podiam ser estudadas. Um ano depois, Thomas Young demonstrou a natureza ondulatória da luz – que recebeu forte apoio experimental do trabalho de Augustin-Jean Fresnel – e o princípio da interferência. Em 1813, Peter Ewart apoiou a idéia da conservação da energia em seu trabalho Sobre a medida da força motriz. Em 1820, Hans Christian Ørsted descobriu que um condutor de corrente dá origem a uma força magnética à sua volta e, uma semana após a descoberta de Ørsted em França, André-Marie Ampère descobriu que duas correntes eléctricas paralelas exercerão forças uma sobre a outra. Em 1821, William Hamilton começou a sua análise da função característica de Hamilton. Em 1821, Michael Faraday construiu um motor elétrico, enquanto Georg Ohm declarou sua lei de resistência elétrica em 1826, expressando a relação entre tensão, corrente e resistência em um circuito elétrico. Um ano mais tarde, o botânico Robert Brown descobriu o movimento browniano: grãos de pólen na água em movimento resultante de seu bombardeio pelos átomos ou moléculas do líquido em movimento rápido. Em 1829, Gaspard Coriolis introduziu os termos de trabalho (força vezes distância) e energia cinética com os significados que eles têm hoje.
Em 1831, Faraday (e independentemente Joseph Henry) descobriu o efeito inverso, a produção de um potencial elétrico ou corrente através do magnetismo – conhecido como indução eletromagnética; estas duas descobertas são a base do motor elétrico e do gerador elétrico, respectivamente. Em 1834, Carl Jacobi descobriu suas elipsóides auto-gravitantes de rotação uniforme (a elipsóide Jacobi). Em 1834, John Russell observou uma onda de água solitária (soliton) no Canal da União perto de Edimburgo e usou um tanque de água para estudar a dependência das velocidades das ondas solitárias da amplitude e profundidade da água. Em 1835, William Hamilton declarou as equações canônicas de movimento de Hamilton. No mesmo ano, Gaspard Coriolis examinou teoricamente a eficiência mecânica das rodas d’água, e deduziu o efeito de Coriolis. Em 1841, Julius Robert von Mayer, um cientista amador, escreveu um artigo sobre a conservação de energia, mas a sua falta de formação académica levou à sua rejeição. Em 1842, Christian Doppler propôs o efeito Doppler. Em 1847, Hermann von Helmholtz declarou formalmente a lei da conservação de energia. Em 1851, Léon Foucault mostrou a rotação da Terra com um enorme pêndulo (Foucault pendulum).
Existiram avanços importantes na mecânica contínua na primeira metade do século, nomeadamente a formulação de leis de elasticidade para sólidos e a descoberta de equações Navier-Stokes para fluidos.
Leis da termodinâmicaEdit
(1824-1907)
No século XIX, a ligação entre calor e energia mecânica foi estabelecida quantitativamente por Julius Robert von Mayer e James Prescott Joule, que mediram o equivalente mecânico do calor na década de 1840. Em 1849, Joule publicou resultados de sua série de experimentos (incluindo o experimento da roda de pás) que mostram que o calor é uma forma de energia, um fato que foi aceito na década de 1850. A relação entre calor e energia foi importante para o desenvolvimento das máquinas a vapor, e em 1824 foi publicado o trabalho experimental e teórico de Sadi Carnot. Carnot captou algumas das idéias da termodinâmica em sua discussão sobre a eficiência de um motor idealizado. O trabalho de Sadi Carnot forneceu uma base para a formulação da primeira lei da termodinâmica – uma reafirmação da lei de conservação de energia – que foi declarada por volta de 1850 por William Thomson, mais tarde conhecido como Lord Kelvin, e Rudolf Clausius. Lord Kelvin, que tinha estendido o conceito de zero absoluto dos gases a todas as substâncias em 1848, baseou-se na teoria da engenharia de Lazare Carnot, Sadi Carnot e Émile Clapeyron – bem como na experimentação de James Prescott Joule sobre a intercambialidade de formas de trabalho mecânicas, químicas, térmicas e elétricas – para formular a primeira lei.
Kelvin e Clausius também afirmaram a segunda lei da termodinâmica, que foi originalmente formulada em termos do fato de que o calor não flui espontaneamente de um corpo mais frio para um corpo mais quente. Outras formulações seguiram rapidamente (por exemplo, a segunda lei foi exposta no influente trabalho de Thomson e Peter Guthrie Tait no Tratado de Filosofia Natural) e Kelvin em particular entendeu algumas das implicações gerais da lei. A segunda lei foi a idéia de que os gases consistem em moléculas em movimento havia sido discutida com algum detalhe por Daniel Bernoulli em 1738, mas havia caído em desuso, e foi reavivada por Clausius em 1857. Em 1850, Hippolyte Fizeau e Léon Foucault mediram a velocidade da luz na água e descobriram que ela é mais lenta do que no ar, em apoio ao modelo ondulatório da luz. Em 1852, Joule e Thomson demonstraram que um gás em rápida expansão arrefece, mais tarde chamado efeito Joule-Thomson ou efeito Joule-Kelvin. Hermann von Helmholtz apresenta a idéia da morte térmica do universo em 1854, no mesmo ano em que Clausius estabeleceu a importância do dQ/T (teorema de Clausius) (embora ele ainda não tenha dado nome à quantidade).
James Clerk MaxwellEdit
(1831-1879)
Em 1859, James Clerk Maxwell descobriu a lei da distribuição das velocidades moleculares. Maxwell mostrou que os campos elétricos e magnéticos são propagados para fora de sua fonte a uma velocidade igual à da luz e que a luz é um dos vários tipos de radiação eletromagnética, diferindo apenas em freqüência e comprimento de onda dos outros. Em 1859, Maxwell trabalhou a matemática da distribuição das velocidades das moléculas de um gás. A teoria das ondas de luz foi amplamente aceita na época do trabalho de Maxwell sobre o campo eletromagnético, e depois o estudo da luz e o da eletricidade e do magnetismo foram intimamente relacionados. Em 1864 James Maxwell publicou seus trabalhos sobre uma teoria dinâmica do campo eletromagnético, e afirmou que a luz é um fenômeno eletromagnético na publicação de 1873 do Tratado de Maxwell sobre a eletricidade e o magnetismo. Este trabalho se baseou em trabalhos teóricos de teóricos alemães como Carl Friedrich Gauss e Wilhelm Weber. O encapsulamento do calor no movimento das partículas e a adição de forças eletromagnéticas à dinâmica newtoniana estabeleceu uma base teórica extremamente robusta para as observações físicas.
A previsão de que a luz representava uma transmissão de energia em forma de onda através de um “éter luminífero”, e a aparente confirmação dessa previsão com a detecção da radiação eletromagnética pelo estudante de Helmholtz Heinrich Hertz, em 1888, foi um grande triunfo para a teoria física e levantou a possibilidade de que teorias ainda mais fundamentais baseadas no campo poderiam ser desenvolvidas em breve. A confirmação experimental da teoria de Maxwell foi fornecida por Hertz, que gerou e detectou ondas elétricas em 1886 e verificou suas propriedades, ao mesmo tempo em que prefigurou sua aplicação em rádio, televisão e outros dispositivos. Em 1887, Heinrich Hertz descobriu o efeito fotoelétrico. As pesquisas sobre as ondas eletromagnéticas começaram logo depois, com muitos cientistas e inventores realizando experimentos sobre suas propriedades. Em meados e finais de 1890, Guglielmo Marconi desenvolveu um sistema de telegrafia sem fio baseado em ondas de rádio (ver invenção do rádio).
A teoria atómica da matéria tinha sido proposta novamente no início do século XIX pelo químico John Dalton e tornou-se uma das hipóteses da teoria cinético-molecular dos gases desenvolvida por Clausius e James Clerk Maxwell para explicar as leis da termodinâmica. A teoria cinética, por sua vez, levou à mecânica estatística de Ludwig Boltzmann (1844-1906) e Josiah Willard Gibbs (1839-1903), que sustentavam que a energia (incluindo o calor) era uma medida da velocidade das partículas. Interrelando a probabilidade estatística de certos estados de organização dessas partículas com a energia desses estados, Clausius reinterpretava a dissipação de energia como sendo a tendência estatística das configurações moleculares a passarem para estados cada vez mais prováveis, cada vez mais desorganizados (cunhando o termo “entropia” para descrever a desorganização de um estado). As interpretações estatísticas versus absolutas da segunda lei da termodinâmica estabeleceram uma disputa que duraria várias décadas (produzindo argumentos como “o demônio de Maxwell”), e que não seria considerada definitivamente resolvida até que o comportamento dos átomos fosse firmemente estabelecido no início do século 20. Em 1902, James Jeans encontrou a escala de comprimento necessária para as perturbações gravitacionais crescerem em um meio estático quase homogêneo.