::: Cientistas de todos os tempos :::

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James Prescott Joule

 (1818 - 1889)

Participando da extraordinária variedade do universo, a matéria e a energia podem apresentar-se sob as mais diversas formas: um corpo em movimento está animado de energia cinética, enquanto uma mola distendida tem energia potencial; uma dinamite possui energia química; já um corpo eletricamente carregado armazena energia elétrica.

Essas formas de energia podem se transformar umas nas outras: a mola distendida, ao ser liberada, ganha movimento, o que significa que sua energia potencial se converte em energia cinética. Analogamente, a energia química contida na gasolina pode ser transformada, através da queima do combustível, em energia cinética, aproveitada para movimentar um veículo. E a produção de energia elétrica nas usinas hidrelétricas aproveita a energia das quedas de água.

No entanto, a idéia de que a energia se apresenta em diversas formas não surgiu espontaneamente. Até o início do século XIX, por energia entendia-se apenas energia mecânica, ou seja, cinética e potencial. E a constatação de que, na verdade, a energia cinética pode ser transformada em calor foi que abriu caminho para essa nova concepção.

Quando dois corpos dotados de temperaturas diferentes são postos em contato, ambos tendem a alcançar uma temperatura de equilíbrio, situada entre os dois valores iniciais: o corpo mais quente se torna mais frio e, reciprocamente, o mais frio se aquece. Durante muito tempo, explicou-se esse fenômeno atribuindo aos corpos a posse de uma substância a que se chamava calórico. Um corpo a alta temperatura conteria muito calórico, ao passo que outro a baixa temperatura conteria pouco. Assim, quando dois objetos nessas condições eram colocados em contato, o mais rico em calórico transferiria uma parte dele para o outro.

Tal teoria era capaz de explicar satisfatoriamente muitos fenômenos físicos, como por exemplo a condução do calor. A idéia de que o calor é uma substância não podia, contudo, resistir às evidências em contrário que começaram a surgir no fim do século XVIII; foi, assim, substituída pela concepção de que o calor é uma forma de energia; esse feito deveu-se principalmente a Benjamin Thompson, o conde Rumford. Thompson trabalhava para o governo da Baviera, como supervisão na fabricação de canhões para o Exército. Esse trabalho era executado cavando-se um orifício no interior de um cilindro maciço de ferro. Durante o processo, o ferro se aquecia, e o orifício era então mantido cheio de água. Mas a água fervia, precisando ser periodicamente substituída; ora, na época aceitava-se a hipótese de que, para fazer a água ferver, era necessário fornecer-lhe calórico. Portanto, segundo as concepções vigentes, havia uma transferência aparentemente ininterrupta de calórico do ferro para a água. Tentava-se explicar o fato pela hipótese de que, quanto mais finamente dividido um material, menor sua capacidade em reter calórico. Thompson, porém, observou que a água fervia mesmo depois que as ferramentas perdiam seu corte, e não mais eram capazes de subdividir o metal do canhão. Além disso, esse mecanismo não obedecia a um princípio que justifica a aceitação de muitas idéias abstratas em física: o princípio da conservação. De fato, neste caso havia duas quantidades que não se conservavam: a energia mecânica, que devia ser continuamente despendida, e o calórico, que era incessantemente criado.

Após realizar uma série de experiências e tentar explicá-las a partir da teoria do calórico, Thompson resolveu tentar outro caminho. Em 1798, comunicou à Royal Society inglesa que " ... raciocinando sobre esse assunto, não devemos nos esquecer de considerar circunstância mais notável, ou seja, a de que a fonte de calor gerado por atrito, nessas experiências, era visivelmente inexaurível... parece ser extremamente difícil, se não realmente impossível, formar uma idéia definida de alguma coisa capaz de ser excitada e transmitida na maneira pela qual o calor era excitado e transmitido nessas experiências, a menos que essa coisa seja movimento".

Isso contribuiu para derrubar a teoria do calórico, ao mesmo tempo que lançou o conceito de que o trabalho mecânico é o verdadeiro responsável pelo aparecimento do calor no ato de furar os canhões. A nova teoria só foi plenamente desenvolvida anos mais tarde, graças a trabalhos de Julius Robert von Meyer, Hermann von Helmholtz, L. A. Colding, e James Prescott Joule.

Joule, um industrial inglês nascido 24 de dezembro de 1818, dedicava-se à física como passatempo. Obcecado pelas experiências bem feitas e pelas medidas precisas, realizou uma série de observações sobre o calor e seus efeitos. E foi no decorrer dessas pesquisas que estabeleceu o princípio da conservação da energia, em bases mais sólidas.

O principal feito de Joule consistiu em medir a quantidade de calor que se produz quando uma dada quantidade de energia se transforma. Isso foi feito através de três experiências. Na primeira delas, um ímã em ferradura era colocado no interior de um recipiente cheio de água; um pequeno eletroímã, disposto entre os dois braços da ferradura, recebia corrente elétrica. A rotação do dispositivo fazia a temperatura da água elevar-se, e então era possível, a partir da corrente elétrica que percorria o circuito, calcular a quantidade de energia mecânica - de rotação do eletroímã - que se transformava em calor.

Na segunda experiência, Joule fez a água passar através de tubos capilares. O atrito do líquido com o vidro dos capilares causava o aumento da temperatura do sistema. Esse acréscimo, comparado com a energia gasta no fornecimento de água ao capilar, correspondia à quantidade de calor produzida. Joule realizou ainda uma variante dessa experiência, substituindo a água por vários gases diferentes, melhorando assim a precisão de suas conclusões.

(Medida do equivalente mecânico da caloria)

A terceira experiência do pesquisador foi aquela que lhe trouxe fama; realizada em 1845, tomou-se clássica pela sua engenhosidade. Os resultados que permitiu alcançar eram afetados por uma incerteza de 5 %, o que, para os padrões da época, era uma excelente precisão. Joule não empregou mais que um recipiente cheio de água, um termômetro, dois corpos pesados e uma haste metálica dotada de algumas pás. Numa das extremidades da haste, havia uma carretilha. A haste era imersa na água, de modo que as pás pudessem girar livremente no interior do líquido. Da carretilha, que permanecia fora do recipiente, saíam dois fios em direções opostas, cada um dos quais passando por roldanas com eixos dispostos horizontalmente. Na ponta dos fios, amarravam-se os corpos pesados. O bulbo do termômetro, imerso na água, permitia saber a temperatura.

A experiência consistia tão somente em suspender os dois corpos pesados, por meio da carretilha, e depois liberá-la. Os corpos, atraídos pela Terra, caíam, fazendo a carretilha girar; esse movimento se transmitia à haste metálica, e dessa maneira as pás giravam rapidamente no interior da água. Como conseqüência, a temperatura do líquido se elevava, o que era acusado pelo termômetro. Sabendo a altura de queda dos corpos, Joule pôde calcular a quantidade de calor que, fornecida à água, era responsável pela elevação observada da temperatura. Chegou à conclusão que 1 caloria é equivalente a 4,186 newton.metro (1 caloria é a quantidade de calor necessária para elevar 1 g de água de 14,5 a 15,50 C). Diz-se, então, que o equivalente mecânico do calor é 4,186 N.m/cal.

Joule, porém, não parou aí: querendo mostrar que se obtém a mesma quantidade de calor a partir de uma dada quantidade de energia, não importando a maneira como ela é produzida, levou adiante outras experiências, todas elas conduzindo ao mesmo resultado. A agitação do mercúrio, o atrito de anéis de ferro em banhos de mercúrio ou a transformação de energia elétrica em calor num fio imerso em água sempre levavam à mesma proporcionalidade entre as formas de energia.

Após a morte do cientista, em 1889, resolveu-se atribuir ao newton.metro a unidade de energia mecânica no sistema MKS - o nome de joule. Ficava assim perpetuada a homenagem a um dos que mais ajudaram a estabelecer o princípio da conservação da energia.

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