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Gelo,
água e vapor postos a trabalhar
(Parte 1)
Prof.
Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br
Introdução
O operário moderno comanda a produção de cerca de 250 auxiliares invisíveis.
No lar, seu estado-maior doméstico monta a uns quarenta empregados invisíveis,
satisfazendo suas necessidades e desejos. Seu automóvel transporta-o
suavemente, com uma potência de 150 cavalos, e o avião comercial que
utiliza produz mais potência do que a maior das legiões romanas. O
engenheiro de operação de uma usina de força moderna controla
rotineiramente a potência de um milhão de cavalos, ou de 20 milhões de
homens, simplesmente operando uns poucos interruptores. Esta tremenda
capacidade provém de nossa habilidade em converter o calor
liberado pelos combustíveis em trabalho útil, que de outra maneira teria
que ser executado pelos músculos humanos ou dos animais. Dessa troca recíproca
de calor e trabalho evoluiu uma nova disciplina científica --- termodinâmica
--- que domina os enormes recursos de energia utilizados pelo homem de
hoje.
Embora o calor
sempre tivesse desempenhado papel indispensável nas reações químicas,
os químicos iniciaram uma revolução com os novos materiais sem
realmente compreender o calor. De maneira muito semelhante, a máquina a
vapor produziu uma revolução industrial muito antes de os cientistas
compreenderem seus princípios de operação. De fato, muitas novas ciências
foram antecipadas por aplicações práticas importantes, aplicações
essas que o homem descobriu por acaso, com seu gênio para a inovação
pelo método de tentativa e erro. As lentes de óculos levaram aos
primeiros telescópios primitivos, e eventualmente, à ciência moderna da
Óptica. O antigo calendário e as necessidades da agricultura e da pecuária
e a adoração religiosa, levaram à Astronomia. A metalurgia primitiva
levou à Química. E, na primeira metade do século
dezoito, a máquina a vapor de Newcomen forneceu o ímpeto para o assalto
total ao enigma do calor.
A
Teoria Calórica — Lógica mas errônea
Hoje em dia, é difícil compreendermos a influência da
"teoria calórica" sobre os cientistas do século dezoito. O
termo "calórico" ainda sobrevive na palavra "caloria"
--- ambas as palavras derivadas da palavra latina que significa 'calor'.
O calórico era
considerado como uma espécie de fluido que em tudo penetrava. Suas partículas
eram atraídas por toda matéria, repelindo-se entre elas. Quando se
juntavam dois corpos de temperaturas diferentes, supunha-se que o calórico
fluía do mais quente para o mais frio, até obter o equilíbrio. No
processo de aquecimento, as partículas do calórico penetravam no objeto.
A repulsão mútua dessas partículas fazia o corpo expandir-se,
dilatar-se. Quando se esfregavam dois corpos, uma parte do calórico era
expulsa, fazendo-os parecerem mais quentes.
Muito embora a teoria
calórica dos físicos fosse completamente errada, sobreviveu à teoria
do flogístico dos químicos, e dominou a Ciência até à metade
do século dezenove. Afortunadamente, muito trabalho experimental foi
realizado, sem se deixar estorvar por erros induzidos pela teoria.
Nas
mãos de cientistas engenhosos, qualquer teoria útil --- mesmo sendo
falsa --- é freqüentemente melhor do que nenhuma.
Bombeamento
com Vapor
No século dezessete, a infiltração de água nas minas
profundas tinha-se tornado um sério problema econômico e tecnológico,
ameaçando a ruína das minas de carvão e estanho da Inglaterra. Então,
subitamente, descobriu-se que o vapor podia ser usado como uma fonte de
energia para bombear essa água estagnada para fora da mina.
O primeiro
passo naquele sentido foi dado em 1650 por von
Guericke, que descobriu que um 'vácuo' podia ser usado para
transmitir energia a uma distância considerável. Seu aparelho, "a máquina
pneumática de von Guericke", está ilustrado abaixo.
Quando o
pequeno pistão (observe a figura -a-) é empurrado para baixo, a válvula
A permite que uma parte do ar do cilindro escape para a atmosfera. Quando
o pistão sobe (observe a figura -b-), a válvula A levanta-se, isolando o
tubo da atmosfera. Um vácuo parcial é então produzido nos dois
cilindros e no tubo de conexão. Isto significa que a pressão sob o pistão
grande é menor que a pressão atmosférica na parte superior do pistão.
Essa diferença de pressão desenvolve forças,
cuja resultante empurra, para baixo, o pistão grande, dessa maneira
levantando o peso preso na corda que passa pela polia. Muito mais tarde, o
princípio foi utilizado em milhões de freios 'a vácuo' de carros
ferroviários, em todo o mundo. Não
obstante, o aparelho de von Guericke era apenas um meio de transmitir
energia, não se destinando a produzir trabalho útil.
O passo
seguinte foi dado pelo Marquês de Worcester
em 1663, e aperfeiçoado por Savery em
1698. Essas antigas máquinas de calor eram aparelhos nos quais era criado
um 'vácuo' por meio do enchimento de um espaço vazio com vapor,
fazendo-o, a seguir, condensar-se por resfriamento. Podemos facilmente
convencer-nos de que podem ser desenvolvidas grandes forças por meio do vácuo.
Basta simplesmente colocar um copo de água em uma lata vazia de um galão
e fazê-la ferver. Logo que o vapor encher a lata, tire-a do aquecedor e
feche rapidamente a abertura. Quando o vapor se resfriar, ele se
transformará em água novamente, criando um vácuo parcial na lata. A
pressão atmosférica fará o resto, amassando lentamente a lata, até
transformá-la em uma massa de metal retorcido. A versão 'moderna' desse
experimento é feito com uma lata de refrigerante, vazia; ponha duas
colheres de água na lata e coloque sobre o fogo para ferve-la e, após a
franca ebulição da água inverta rapidamente a lata sobre a água fria
contida num prato --- e deixe que a pressão atmosférica amasse
completamente a lata!
A "máquina
de fogo" de Savery utilizava-se das enormes forças originadas pelo
peso da atmosfera. O princípio básico é o ilustrado abaixo.
Todas as quatro
válvulas, A, B, C e D, estão inicialmente fechadas, e o vapor é
gerado na caldeira. As válvulas A e B são então abertas, e o
vapor penetra no condensador, forçando a
água ali existente a passar para o reservatório, elevando seu nível.
Fecham-se então as válvulas A e B, abrindo-se as válvulas C e D. Esta
última (D) esguicha água fria no condensador, resfriando o vapor,
fazendo-o condensar-se. Isto cria um 'vácuo' no condensador, e a pressão
atmosférica força a água do tanque inferior para o condensador,
passando pela válvula C. O consumo determinado pela água que escoa por D
é pequeno. O ciclo é repetido inúmeras vezes, de maneira a fazer passar
um grande volume de água para o reservatório.
O golpe de gênio
de Thomas Newcomen em 1712 foi
combinar o pistão como um meio de aproveitar tanto a expansão do vapor
(na subida), como o vácuo repentino devido à condensação do vapor (na
descida). A "máquina de vapor de Newcomen" está ilustrada
abaixo.
Agora
temos apenas duas válvulas, A e B. O pistão é conectado a uma travessa
superior, que também está ligada à haste de uma bomba d'água,
pelo outro lado (não representada na figura). Abrindo-se a válvula A, o
vapor proveniente da caldeira é admitido no cilindro, sob
pressão, e leva o pistão até o ponto mais alto de seu percurso. Então,
A é fechada e B é aberta, entrando no cilindro um borrifo de água fria,
proveniente do reservatório, condensando o vapor e criando o
'vácuo' nesse cilindro. A pressão atmosférica
força então o pistão para o extremo inferior de seu curso, acionando
desta maneira a bomba d'água (do tipo 'aspirante') ligada ao outro braço
do travessão. Essa bomba é quem 'suga' a água da mina.
A engenhosidade de Newcomen criou a máquina a vapor como um engenho prático,
suficientemente poderoso e capaz de salvar muitas minas inglesas das
inundações. Durante cinqüenta anos que se seguiram, sua máquina foi
usada para bombeamento, sempre que não havia energia hidráulica à
disposição.
A principal
desvantagem da máquina de Newcomen para outros propósitos era seu grande
consumo de combustível. Usando das unidades inglesas da época, para um
"bushel" de carvão, a máquina podia elevar 5 a 6 milhões de
"libras" de água a uma altura de um
"pé". (Ou um peso menor de água a uma altura
correspondentemente maior.)
Muito mais tarde, Watt construiu máquinas
a vapor que produziam três ou quatro vezes aquele trabalho útil, para o
mesmo consumo de combustível.
Na época de
Newcomen, não se compreendeu que a eficiência de uma máquina a vapor
pode ser melhorada com o emprego dos princípios científicos do desenho.
Não havia tabelas de desempenho, com as quais comparar o trabalho
realizado pela máquina e o combustível consumido. Não havia um meio de
saber se a máquina havia atingido seu limite de eficiência, ou se
existia de fato qualquer limite. O desempenho das máquinas a vapor não pôde
ser considerado mais efetivamente até que se ficou conhecendo mais a
respeito da natureza do calor.
Os
primeiros termômetros
O desenvolvimento do termômetro como instrumento científico
começou com Galileu, no século
dezessete. Seu primitivo instrumento indicador de temperaturas foi
realmente um termoscópio e não um termômetro, porque não
dispunha de escala com a qual se pudesse obter uma leitura numérica. Um
"termoscópio" simples é meramente um frasco invertido em uma
tina de água, conforme ilustramos abaixo.
As mudanças de
temperatura de um ambiente são indicadas pela elevação ou queda do nível
de água no gargalo do frasco. Quando a temperatura se eleva, o ar
existente no frasco se expande, forçando a água para uma posição mais
baixa no frasco fixo. Ao resfriar-se, o ar contrai e a pressão atmosférica
provoca a elevação do nível da água.
Cedo se
descobriu que as variações da pressão barométrica de dia para dia
provocam variações correspondentes no volume do ar encerrado. Um líquido,
por outro lado, não sofre mudança significativa de volume, quando varia
a pressão. Diz-se que estes são "incompressíveis". Conquanto
suas mudanças de volume com a variação da temperatura sejam
insignificantes, elas podem ser medidas facilmente em um tubo estreito.
Assim vieram os líquidos --- como a água e o álcool --- a ser usados
como fluidos termométricos, em vez do ar (ilustração acima, à
direita).
O termoscópio
transformou-se em termômetro quando lhe foi acrescentada uma
escala, de maneira tal que pudesse ser lida a altura da coluna de líquido.
Essas leituras numéricas representam determinado número de
"graus" de frio ou calor. Inicialmente, esses "graus"
eram diferentes para cada termômetro --- cada fabricante selecionando um
esquema numérico conveniente, de
acordo com seu próprio capricho. Para que se pudessem comparar as
leituras dos "graus de calor" dos diferentes termômetros,
tornou-se desejável adotar uma escala padrão de temperatura.
Quando Newcomen
estava fabricando suas primeiras máquinas, Daniel
Fahrenheit (1686 - 1736) estava trabalhando para melhorar os
termômetros. Estabeleceu uma escala padrão de temperaturas e fez uso
generalizado do mercúrio em seus instrumentos. Até 1721, ele tinha
construído seu primeiro termômetro de mercúrio, confirmando o
fato de que a água entra em ebulição a uma temperatura aproximadamente
constante. Atribuiu corretamente as ligeiras variações do ponto de ebulição
às mudanças de pressão atmosférica.
Fahrenheit utilizou a temperatura de uma mistura de água, gelo e
sal para representar o ponto zero de sua escala. Um segundo ponto
de calibração em sua escala foi o dos "96o", que
ele selecionou como a temperatura do corpo humano são. Quando essa escala
foi estendida, apresentou a temperatura de 212o como o
ponto de ebulição da água. Estranhamente, Fahrenheit não utilizou a
temperatura de ebulição da água como um "ponto fixo" em sua
escala.
Este passo foi
dado em 1742 pelo astrônomo sueco Anders Celsius
(1701-1744), de Upsala. A escala de seu termômetro tinha dois "graus
de calor" fixos: a temperatura de uma mistura de água e gelo e a
temperatura de ebulição da água. O instrumento foi primeiramente
colocado na água gelada, sendo feita uma
marca no nível ao qual desceu o mercúrio. Foi depois mergulhado no vapor
d'água em ebulição, sendo feita uma segunda marca. A escala entre os
dois pontos foi então dividida em cem partes iguais ---
cada uma correspondendo a um "grau de calor". Mas Celsius
colocou seu zero no ponto de ebulição da água, e a marca dos 100o
no ponto de fusão do gelo. Tal arranjo invertido evitou o uso de números
negativos para as temperaturas abaixo do ponto de congelamento da água. A
escala centígrada que foi utilizada posteriormente até 1938, é
justamente ao contrário, com as temperaturas aumentando para cima, em vez
de para baixo. Desde 1938 seu nome científico é "escala Célsius".
O correto é, por exemplo, "20 graus Célsius" e não "20
graus centígrados".
A ilustração
abaixo mostra as escalas Célsius e Fahrenheit lado a lado, para permitir
uma comparação.
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As
temperaturas podem ser convertidas de uma escala para a outra com auxílio
da seguinte relação:
C/5
= (F - 32)/9
ou
F = (9/5)C + 32 e C = (5/9)(F - 32)
onde
o F se refere às leituras na escala Fahrenheit, e o C, às leituras
na escala Célsius. |
Estabelecimento
de uma tabela de calores
Joseph Black, o Escocês, que
tanto fez para colocar a Química no caminho certo, contribuiu com orientação
semelhante para a termodinâmica.
Antes da época de Black, acreditava-se geralmente que a quantidade de
calor necessária para elevar a temperatura de um objeto dependia tão
somente de seu peso --- sendo a mesma para pesos iguais de diferentes
substâncias. A "capacidade térmica" de um objeto era a
quantidade de calor que ele podia "conter" a uma certa
temperatura. Dependia portanto, segundo se supunha, apenas do peso do
corpo.
Black concluiu, por volta de 1760, que esta hipótese estava errada. Sabia
que Fahrenheit tinha misturado mercúrio e água a diferentes
temperaturas, com resultados surpreendentes. O efeito de aquecimento (ou
resfriamento) do mercúrio mostrou ser menor que um vigésimo do efeito de
igual peso de água. Black chegou a resultados semelhantes em suas experiências,
e concluiu que
"as
quantidades de calor que diferentes espécies de matéria devem
receber... para elevar suas temperaturas em igual número de graus, não
está em proporção com a quantidade de cada matéria, mas em proporção
grandemente diferente dessas quantidades".
Black mediu
então as capacidades térmicas de vários materiais. Misturou pesos
iguais de duas substâncias, cada uma tendo uma temperatura diferente, e
registrou a nova temperatura da mistura. Em um dos testes, misturou uma
"libra" de ouro a 150oF com uma "libra" de
água a 50oF e constatou que a temperatura da mistura era de
55oF. O ouro perdeu 95o e a água apenas ganhou 5o,
e assim, concluiu que a capacidade térmica do
ouro era 5/95, ou 1/19 da capacidade térmica da água. (A relação
correta está mais próxima de 1/30.)
O método de Black ainda hoje é usado, com precauções apropriadas para
impedir a perda acidental de calor. Na terminologia moderna, para mesmas
massas, a relação da capacidade térmica de uma substância para a
capacidade térmica da água é chamada "calor específico".
Capacidade térmica é grandeza característica de corpo (intervém sua
massa); calor específico é grandeza característica de substância. Os
calores específicos de algumas substâncias nas temperaturas e pressões
ordinárias são dados abaixo:
| Substância |
Calor
específico (cal/goC) |
Substância |
Calor
específico (cal/goC) |
Substância |
Calor
específico (cal/goC) |
| água |
1,0 |
ferro |
0,11 |
nitrogênio |
0,25 |
| álcool |
0,6 |
gelo |
0,5 |
ouro |
0,032 |
| alumínio |
0,22 |
hélio |
1,25 |
oxigênio |
0,22 |
| ar |
0,24 |
hidrogênio |
3,4 |
prata |
0,056 |
| carbono |
0,12 |
latão |
0,092 |
rochas |
0,21 |
| chumbo |
0,031 |
madeira |
0,42 |
vidro |
0,16 |
| cobre |
0,091 |
mercúrio |
0,033 |
zinco |
0,093 |
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água e vapor postos a trabalhar --- parte 2 ***
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