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Gelo,
água e vapor postos a trabalhar
(Parte 4)
Prof.
Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br
Teoria
Cinética do Calor
Por volta da metade do século dezenove, o calor era
reconhecido como uma espécie de movimento das moléculas da matéria. Nos
sólidos, supunha-se que as moléculas vibravam ou oscilavam em torno de
lugares fixos no interior da substância. Nos líquidos, seu movimento era
menos restrito, pois as moléculas eram capazes de se deslocarem além das
outras, com relativa facilidade. Nos gases, o movimento molecular era o
maior de todos. Como as moléculas gasosas eram muito distanciadas, seu
movimento não era afetado essencialmente por qualquer atração entre as
moléculas. Cada molécula simplesmente deslocava-se em linha reta até
que se chocasse com outra molécula que estivesse em sua trajetórias seja
do próprio gás, seja de outro objeto.
Considerando o
movimento de incontáveis e minúsculas moléculas de uma substância, é
obviamente impraticável tentar calcular a trajetória e as colisões de
cada partícula individual. O melhor que podemos fazer é aprender o
comportamento médio das moléculas, sob diferentes condições.
Isto faz com que as leis da estatística sejam usadas na Física. As
companhias de seguros usam com sucesso os métodos estatísticos, porque
lidam com centenas de milhares de orientações individuais. Mas o número
de moléculas existentes em apenas um centímetro cúbico de ar é de de
20 000 000 000 000 000 000. É fácil perceber que os métodos estatísticos
têm que ser muito mais aperfeiçoados, quando aplicados às moléculas,
de que quando aplicados às pessoas.
Eles são
aplicados aos gases com mais facilidade, porque nestes o movimento
molecular é relativamente livre das forças de atração
intermoleculares. As moléculas disparam livremente pelo espaço vazio,
colidindo umas com as outras, e com as paredes do recipiente que as contém.
As paredes recebem um bombardeio contínuo,
à medida que as moléculas as atingem e saltam. Cada impacto desses
produz uma pequenina força sobre a parede, somando-se todas elas para
formar uma força média constante, por unidade de área --- a pressão
exercida pelo gás.
Pressão não é 'coisa' que age, atua, aperta, comprime etc., é apenas
uma 'narração' da distribuição de intensidade de força em cada
unidade de área, do mesmo modo que Densidade Absoluta é uma 'narração'
da distribuição de massas para cada unidade de volume.
Este conceito
de bombardeamento molecular contra a parede, permite-nos compreender a
base da lei de Boyle.
Suponha-se que comprimimos o volume de um gás até a metade do seu valor
inicial. O número de moléculas por unidade de volume é agora duas vezes
maior. Duas vezes mais moléculas se chocarão contra uma determinada área
da parede, a cada segundo, e a pressão do gás será o dobro da inicial.
Reduzindo o volume à metade, dobra-se a pressão. Esta proporcionalidade
inversa entre a pressão e o volume é precisamente aquela que foi medida
por Boyle. Ela pode ser expressa por: PV = constante.
Consideremos
agora o que acontece se as moléculas se deslocarem mais rapidamente. Dois
efeitos são observados:
(1)
maior número de moléculas choca-se contra as paredes, a cada segundo; e
(2) a força de cada impacto é maior.
Ambos os
efeitos dependem diretamente da velocidade das moléculas, e ambos
provocam um aumento da pressão do gás. Esta, portanto, depende do
quadrado da velocidade molecular. Mas a energia cinética --- ou energia
de movimento --- de uma molécula também depende do quadrado da
velocidade. Assim, a pressão nada mais é que uma medida da energia cinética
média que possuem as moléculas do gás. A pressão eleva-se em proporção
direta com a energia cinética.
Pressão
a Energia
cinética
Mas já
observamos, de acordo com a lei combinada de Boyle e Gay-Lussac, que
Pressão
x Volume a
Temperatura
Se o volume
for mantido o mesmo, então
Pressão
a
Temperatura
Comparando
estas relações, verificamos que a energia cinética das moléculas é
proporcional à sua temperatura absoluta (porque ambas são proporcionais
à pressão):
Energia
Cinética a
Temperatura
Em outras
palavras, a temperatura absoluta de um gás é simplesmente uma medida da
energia cinética média das moléculas. Por esta razão, costuma-se falar
do movimento térmico das moléculas. Quanto
mais elevada for a temperatura, mais rapidamente elas se deslocarão.
A teoria cinética
ajuda-nos a compreender como trabalha uma máquina a vapor. Moléculas de
vapor a alta temperatura entram no cilindro e comunicam parte de sua
energia cinética ao pistão, fazendo-o deslocar-se. Como o vapor cedeu
parte de sua energia cinética, sua temperatura é reduzida. A quantidade
de trabalho útil gerada pelo pistão depende da variação da temperatura
do vapor, ao passar pela máquina.
A teoria cinética
também explica a Segunda Lei da Termodinâmica --- o fato de que o calor
não se desloca por si só de um corpo frio para um mais quente.
Imaginemos um recipiente separado em duas partes por uma divisão. Uma
metade está cheia com gás quente, e a outra, com gás frio. Retiremos
agora a divisão. Que acontecerá? As moléculas quentes, que se deslocam
com mais velocidade, perdem parte de sua energia em colisões com as moléculas
frias e mais lentas. Eventualmente, as moléculas de ambas as metades do
recipiente atingirão a mesma energia cinética média, e portanto, a
mesma temperatura. O mesmo argumento aplica-se a qualquer objeto.
O
calor sempre flui de um corpo mais quente para um corpo mais frio.
Com a conquista
do calor realizada pelo homem, vastas fontes novas de energia
tornaram-se disponíveis para ele. Potência motriz barata estava agora à
sua disposição, em quantidades aparentemente ilimitadas. Com este novo
poder, ele foi capaz de transformar os frutos das pesquisas químicas em
novos e melhores produtos, a preços ao alcance de um número cada vez
maior de pessoas. Mas benefícios ainda maiores permaneciam ocultos além
do horizonte. A eletricidade, como uma forma de energia nova e
completamente inesperada, estava destinada a desempenhar um papel
estupendo na conquista da natureza pelo homem.
Na continuidade
desse histórico da ciência, no contexto da eletricidade (Ímãs e Pára-raios),
voltaremos com a narrativa a partir dos dias dos "espíritos
vitais" e da "terra estacionária".
Leiam
"Estudos de eletricidade" na Sala 12.
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