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Uno de los primeros científicos en conferir conocimiento físico a la química, empleó el conocimiento del peso físico y ligo al descubrimiento de la Ley de Conservación de la Materia.
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Se reconoce su aportación del comportamiento físico-químico de los gases. Estudió la expansión de los gases en relación con la temperatura a presiones constantes.
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Su aportación científica se sustento en estudios sobre dilatación y medida de las temperaturas, transferencia de calor y calor especifico de los gases
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''Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia'', donde expuso las ideas que darían forma al segundo principio de la termodinámica.
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Desarrolló métodos de análisis de gases. Fue pionero en los estudios de la fotoquímica y la espectroscopia. Desarrolló un quemador de laboratorio que lleva su apellido.
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En su disertación sobre la conservación de la materia postula que el calor era una forma de energía que consistía en un pequeño, y aleatorio movimiento en las partículas de la materia. Sugirió que el calor y el trabajo deberían ser considerados como energía, y que era el total de la misma lo que se conservaba, en lugar de conservarse como calor o trabajos separadamente.
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Desarrollo idead sobre la energía perdida y acuño el termino entropía. Estableció una relación matemática para explicarla transición de fase entre dos estados de la materia.
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Inventó el espectroscopio y demostró la relación entre la emisión y la absorción de la luz por los cuerpos incandescentes, propuso el nombre de la radiación del cuerpo negro y efectuó investigaciones sobre la conducción del calor.
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Estudió las predicciones matemáticas del descenso del punto de fusión y el aumento del punto de ebullición en disoluciones.
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Destaca su aportación a los cimientos de la termodinámica teórica. Definió una función de estado de un sistema termodinámico, la energía libre, que permite prever las espontaneidad de un determinado proceso fisicoquímico.
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Unos de los fundadores de la fisicoquímica e investigador de la dinámica química y de la presión osmótica en disoluciones.
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Una de sus aportaciones principales a la fisicoquímica se refiere a los principios fundamentales que gobiernan los equilibrios químicos, la velocidad de reacción y el equilibrio químico.
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Destaca su contribución al campo de la fisicoquímica en el estudio de la disociación electrolítica. Desarrolló la teoría de la existencia del ion.
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Fundador de The Journal of Physical, destacó en el trabajo docente en el área de dinámica química y en sus estudios de química coloidal.
