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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  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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