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Lenha na fogueira
(Temperatura e calor)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

 

Introdução
Tudo começou no século XII. Avançou até o século XVI. Foi uma devastação total nas florestas inglesas. A lenha era usada para aquecer as casas no inverno e também para as indústrias que começavam a se instalar.

No século XVII já não havia mais lenha suficiente. Os ingleses recorreram ao carvão de pedra. E aqui começa um importante capítulo da Física.

As minas de carvão de então eram superficiais mas, com o esgotamento dessas jazidas, começaram a abrir buracos e galerias cada vez mais profundos. Essas minas freqüentemente ficavam inundadas de água (devido aos lençóis subterrâneos) e era necessário bombear essa água para fora para extrair o carvão.

A máquina a vapor foi inventada para este fim específico ¾ bombear a água para esvaziar as minas.

O que é o calor?  
Quanto calor é necessário fornecer a um corpo para aumentar sua temperatura? 
Como se pode realizar trabalho, produzir energia, a partir do calor?

Estas perguntas são respondidas pela Termodinâmica, que é uma parte da Física que se desenvolveu justamente da tentativa de compreender e de aperfeiçoar a máquina a vapor.

Da Grécia antiga há relatos sobre como produzir movimento por meio do calor. Há citações sobre como as portas de um templo se abriam "sozinhas" quando era aceso um fogo no altar (o ar dentro do altar era aquecido e se expandia, assim causava o movimento das portas). Você pode construir uma "engenhoca" dessas para abrir portas "misteriosamente". Eis o plano de construção:

Todavia, não havia máquinas que funcionassem continuamente à base de calor.

Havia moinhos e indústrias incipientes que eram movidas por rodas d'água, mas isto só era possível em locais onde havia quedas d'água.

A primeira máquina a vapor foi construída em 1698, mas era pouco eficiente e só se tornou de importância econômica e social depois de aperfeiçoada durante cerca de setenta anos. Foi nesse período também que as idéias fundamentais do estudo do calor se tornaram mais claras. Ainda não havia uma distinção entre temperatura e quantidade de calor. Depois ficou evidente que eram necessárias estas duas grandezas para que se pudessem descreverem coerentemente os fenômenos observados. Ficou patente que: para aumentar a temperatura de um corpo deve-se fornecer calor a ele, como, por exemplo, uma panela com água no fogo. Quanto mais calor a panela receber do fogo, mais alta será sua temperatura.

Constatou-se que, para atingir uma certa temperatura, por exemplo, para fazer a água ferver, a quantidade de calor necessária vai depender da quantidade de água: para fazer ferver dois litros, o tempo (a quantidade de calor) será aproximadamente o dobro do que para um litro. Isto mostra que quantidade de calor e temperatura são coisas distintas. Além do mais, se em vez de água houver óleo ou outra substância na panela, o calor que precisa ser fornecido para atingir a mesma temperatura é novamente diferente: as diferentes substâncias, mesmo em volumes (ou pesos) iguais, precisam de diferentes quantidades de calor para atingir a mesma temperatura final.

O que é então o calor? 
Acreditava-se, no século XVIII, que era uma substância invisível que podia penetrar em qualquer corpo, chamada calórico. As explicações de então era algo assim:

O calórico era atraído pelos átomos das substâncias, mas era auto-repelente. Formava-se uma nuvem de calórico em torno de cada átomo e estas nuvens se repeliam entre si, evitando assim que os átomos se aproximassem demais. A temperatura dependia da densidade de calórico na superfície do corpo. Para aumentar a temperatura, fornecia-se calórico ao corpo. Isto aumentava não só o calórico na superfície, mas também a repulsão entre os átomos, fazendo com que o corpo aumentasse de volume.

Explicava-se assim o fato de os corpos se dilatarem quando a temperatura aumenta.

A teoria do calórico explicava quase todos os fenômenos térmicos e foi aceita durante todo o século XVIII. Ainda hoje a parcela da população não científica (e que pensa sobre estes fenômenos) julga o calor como se fosse um fluido, e mesmo entre os cientistas muitas palavras e muitas idéias vêm dessa teoria. No entanto, ela foi abandonada, em meados do século XIX, porque ficou claro que o calor é uma forma de energia que passa de um corpo a outro e que é devida às energias de movimento de todos os átomos do corpo.

Se o corpo é sólido, o movimento de seus átomos é de vibração em torno de uma posição de equilíbrio: quanto maior a temperatura, mais intensas estas vibrações.

Se é um gás ou um líquido, seus átomos (ou moléculas) se deslocam com velocidades tanto maiores, quanto maior for a temperatura.

Há muitas transformações possíveis de outras formas de energia em calor e vice-versa. Por exemplo, quando dois corpos sólidos são esfregados um sobre outro, produz-se o calor: era assim que os índios faziam fogo. Uma observação famosa deste tipo foi feita pelo conde Rumford, um aventureiro e cientista americano, na Bavária, em fins do século XVIII.

Ele estava fabricando canhões para o potentado local, e para isto um tarugo de bronze precisava ser furado por uma broca de aço, para se fazer a alma do canhão (o furo do cano). Ele observou que o atrito da broca com o canhão produzia calor continuamente, mesmo quando a broca já tinha perdido o seu corte. Parecia haver um reservatório infinitamente grande de calórico que fornecia o fluido à broca e ao canhão enquanto os dois estivessem se movimentando com atrito.

Aliás, quem já utilizou uma furadeira elétrica, sabe que sempre a broca esquenta e precisa ser resfriada com água para não se destemperar a altas temperaturas.

Quando a broca está cega (sem corte), ela esquenta muito mais. A energia que é gasta no motor que faz a broca girar (Rumford usava uma parelha de cavalos em vez de motor), aparece como calor que aquece a broca e a peça que está sendo furada.

Quando um ferro de passar roupa é ligado, a corrente elétrica que passa dentro faz ele ficar quente: é energia elétrica sendo transformada diretamente em calor. Reações químicas também liberam calor: quando comemos alimentos, a digestão (que consiste numa série de reações químicas) produz calor que, entre outras coisas, mantém a nossa temperatura próxima de 37°C.

Se não houvesse fornecimento contínuo de calor ao nosso corpo, ele logo se resfriaria até ficar à mesma temperatura do ambiente, por exemplo, 20°C: é o que acontece na morte. Um cadáver adquire a mesma temperatura dos objetos em volta dele, como se fosse uma pedra ou um pedaço de madeira. Os corpos vivos só mantêm uma temperatura mais alta do que o ambiente graças à energia que recebem pela alimentação.

O calor pode dar lugar a outras formas de energia: a máquina a vapor produz trabalho ou energia mecânica a partir do calor.

Um termopar é um dispositivo que produz energia elétrica quando é aquecido; é utilizado (nos termostatos) para controlar a temperatura e mantê-la constante. Por exemplo, pode se fazer com que seja ligado a um aquecedor sempre que a temperatura de um local aquecido caia abaixo de um valor preestabelecido.

Calor é uma energia diferente das outras
O calor é uma forma de energia. Assim como existe energia mecânica, elétrica, química, nuclear, existe também energia térmica e calor.

Entretanto desde o início da termodinâmica ficou claro que calor é uma forma especial de energia, diferente das outras. É energia em forma caótica, desordenada. É possível transformar energia mecânica totalmente em energia térmica (e, posteriormente, em calor); também é possível transformar energia elétrica totalmente em calor. Mas não é possível transformar totalmente calor em energia mecânica ou em energia elétrica.

Para se produzir trabalho ou eletricidade a partir do calor, é necessário sempre ter-se um excesso de calor e jogar-se grande parte dele fora. Isto foi percebido, já em 1824, por um jovem cientista francês, Sadi Carnot, que procurava um jeito de tornar a máquina a vapor mais eficiente: gastar menos carvão ou lenha e realizar mais trabalho.

Na caldeira, o fogo aquece a água transformando-a em vapor a alta temperatura e, conseqüentemente, a alta pressão.

Esse vapor se expande no cilindro, forçando o pistão a recuar ¾ é nesse movimento que há realização de trabalho. A expansão esfria um pouco o vapor, mas ele continua quente; para continuar o processo e fechar o ciclo, fazendo a água voltar à caldeira, é necessário esfriar o vapor ainda mais e liquefaze-lo, o que ocorre no condensador. 
O que Carnot percebeu é que o condensador é indispensável em um processo cíclico, e que ele representa uma ineficiência intrínseca, irremovível, do processo, pois nele parte do calor que a caldeira forneceu, e que não foi transformada em trabalho no pistão, é transferida para fora da máquina, por exemplo, para a água do rio que resfria o condensador.

Não é possível construir-se uma máquina, seja a vapor ou de outro tipo, que transforme totalmente em trabalho (energia mecânica) uma certa quantidade de calor fornecida por uma chama ou por outra forma: parte do calor sempre sobra e precisa ser retirada. Esta impossibilidade é uma lei da natureza, que se chama Segundo Princípio da termodinâmica (o Primeiro Princípio afirma que o calor é uma forma de energia).

Os movimentos estudados na Mecânica são todos reversíveis, isto é, podem decorrer de trás para frente: a Terra poderia girar de leste para oeste em vez de como ela efetivamente gira; uma bola que rola rampa abaixo, acelerada, poderia rolar para cima, desacelerada, se assim fosse lançada. Quando vemos um filme de cinema projetado de trás para frente, muitas vezes demoramos para percebe-lo se só aparecerem movimentos puramente mecânicos, reversíveis. Só quando aparece um processo irreversível, onde há produção de calor, a coisa fica óbvia: um homem que salta do trampolim e cai numa piscina não pode voltar para cima, pois, quando cai na água, sua energia mecânica (de movimento) desaparece para dar lugar a pequenos movimentos desordenados da água, e a calor, e este processo é irreversível.

Os processos em que intervém o calor são irreversíveis. Uma xícara de café quente colocada sobre a mesa perde calor até que sua temperatura se iguale à do ar circundante. Nunca ocorre o inverso uma xícara de café frio sobre a mesa não se aquece espontaneamente, retirando calor do ar em volta. A impossibilidade deste processo também leva ao Segundo Princípio.

A energia térmica, que pode ser transferida a outro corpo sob a forma de calor, consiste na soma das energias de movimento desordenado de bilhões de átomos. Já a energia de movimento da Terra quando gira ou de uma bola que rola é soma de energias de movimento ordenado de muitos e muitos átomos. Nos dois casos, são os movimentos dos átomos que detêm (armazenam) a energia, mas num caso todos se movem em conjunto, coordenados, quando o corpo todo se move, e noutro caso cada átomo se move em uma direção diferente, com velocidade diferente e mudando rapidamente. O quente de uma xícara de café consiste no movimento desordenado mas rápido de todos os seus átomos, uns vibrando sem sair do lugar, outros indo para cima, outros para baixo, para o lado, e assim por diante. Quando o café esfria, estes movimentos continuam, mais devagar, entretanto, com menos energia. A figura mostra como seria o caminho de uma partícula em um movimento desordenado desses.

É interessante notar que este movimento foi descoberto por um botânico chamado Brown, quando observava grãos de pólen de flores, com um microscópio. Depois percebeu-se que tais movimentos ocorrem para quaisquer partículas no ar ou em um líquido. Nos sólidos, os movimentos das partículas, devido à energia térmica, são diferentes da figura, pois são deslocamentos em torno de uma posição fixa, como uma corda de violão que vibra para um lado e para outro de sua posição de equilíbrio.
 

 

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