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Primeiros Passos da Física
(Parte3)

leobarretos@uol.com.br 

3- Termologia

Gás, Pressão. Poucos são como os gases, que têm aparecido em tantos ramos e, em cada aparição, proporcionado tantas descobertas importantes. O conceito de átomo e molécula surgiu das características das reações químicas dos gases, conforme foi explicado no Primeiros Passos da Ciência (Aspectos Gerais). 
A teoria cinética dos gases, por sua vez, tornou-se um protótipo da teoria moderna sobre a estrutura da matéria, como veremos na Parte 4 desse trabalho. As pesquisas sobre pressão de gases, expansão térmica etc, foram iniciadas no século XVII, e sua aplicação para máquinas foi reunida no século XIX. Tais pesquisas produziram um ramo da física denominado termodinâmica
Na Idade Antiga, contudo, não existia quase nenhum conhecimento correto sobre os gases e a sua pressão. Heron descreveu um aparelho de gás muito simples que girava pelo recuo, devido ao vapor ejetado, e também o uso do sifão. O primeiro era tratado simplesmente como um instrumento de uso religioso. Foram classificados em ramos completamente diferentes, porque não se imaginava que houvesse relação com a pressão dos gases. Nessa época, os gases eram reconhecidos mais como um meio de propagação do som, sendo bem antigas as descrições nesse sentido. Aristóteles já reconhecia o som como uma oscilação do ar, e também, até certo ponto, a relação entre o intervalo musical e a freqüência do som. Quanto à velocidade, porém, descreveu errôneamente que ela variava com a fonte e a altura do som. (Foi Galileu quem esclareceu a relação entre o intervalo musical e a freqüência do som. A medição da sua velocidade foi feita no século XVII. Newton apresentara uma fórmula teórica da velocidade do som, mas
era incorreta; no século XVIII, foi apresentada a fórmula correta por Laplace. O valor absoluto da freqüência do som foi medido diretamente pelos estudos do seu batimento no século XVIII.)

Até a época de Galileu, havia muitas falhas nos conhecimentos sobre os gases, e isso é comprovado pelo fato de que ainda ignoravam a existência do peso do ar. Galileu apontou esse fato, colocando gás numa esfera de vidro à pressão ambiente, uma primeira vez e, em outra, em alta pressão, mostrando que havia diferença de peso entre um e outro caso. Não havia, pois, nenhuma descrição quantitativa sobre as propriedades dos gases até a Idade Moderna, talvez pelo fato de o conceito da pressão de fluido ser ainda bastante obscuro. O primeiro reconhecimento correto sobre pressão foi dado em 1653 por Pascal (1623-1662), cuja lei é: “A pressão exercida sobre um líquido propaga-se em todos os sentidos sem reduzir a sua intensidade, e é exercida verticalmente sobre todas as áreas com a mesma força”. Ele explicou corretamente o princípio do elevador hidráulico através dessa lei.

Ainda não existia o conceito de pressão atmosférica. Foi Galileu quem primeiro o introduziu. Observando que, quando usava a bomba de sucção, a água subia somente pouco mais de 10 metros, ele obteve o conceito de pressão atmosférica, embora de modo não muito claro ainda. Seu aluno Torricelli (1608-1647), em 1643, usou o mercúrio ao invés de água e esclareceu essa idéia. Mas, no seu caso, o interesse foi para a relação entre o estado atmosférico e a altura da coluna de mercúrio. A existência da pressão atmosférica foi confirmada plenamente depois que Pascal observou a diferença na altura da coluna de mercúrio num lugar plano e numa montanha. O princípio do sifão foi explicado corretamente por ele. Guericke descobriu independentemente a existência da pressão atmosférica, em 1663, relacionada com a fabricação da bomba de vácuo. Boyle, informado das pesquisas de Torricelli e Guericke, começou em 1660 a mesma espécie de experiência e descobriu, em 1666, a sua lei em que o volume do gás era inversamente proporcional à pressão. Essa lei também foi descoberta, independentemente, por Mariotte (1620-1684), em 1676. Desde então, à medida que a relação entre a temperatura e a pressão foi sendo esclarecida, essa propriedade dos gases foi focalizada como sendo a porta para uma nova ciência.

Temperatura, Calor. Embora o calor e o frio sejam captados diretamente pelos sentidos humanos, não existia nenhuma descrição sobre eles até a Idade Moderna, exceto expressões primitivas como muito quente, bem frio, etc. Isso foi devido ao desconhecimento do método de descrição quantitativa da temperatura e do calor. 
O primeiro termômetro foi feito em 1593 por Galileu. Era um tubo de vidro
com a extremidade superior esférica, colocado verticalmente num tanque com água, a qual descia pela expansão e compressão do ar na esfera. Os resultados eram facilmente influenciáveis, como podemos observar, pela variação da pressão atmosférica, e portanto o termômetro não era muito preciso. Foi na década de 1660, quase 50 anos depois, que, colocando esse aparelho de Galileu na posição invertida e fechando o topo, construiu-se o termômetro da forma atual. 

No início, colocou-se álcool no tubo. Com isso, foi possível medir temperaturas relativas com bastante precisão, porém não existia nenhuma opinião definida sobre a escala absoluta e foram usados vários padrões arbitrários, corno a temperatura do corpo humano normal, o ponto de fusão da manteiga, a temperatura da terra num porão etc. Entretanto, com o desenvolvimento do termômetro, várias propriedades térmicas de materiais tornaram-se rapidamente claras. Halley (1656-1742) inventou os coeficientes de expansão térmica de vários líquidos, e Fahrenheit (1686-1736) descobriu que os pontos de ebulição e fusão de vários materiais eram constantes. Este último difundiu o uso do termômetro de mercúrio. Boyle esclareceu a relação entre a pressão e o ponto de ebulição. 
A expansão térmica de gases foi investigada detalhadamente muito mais tarde, na primeira metade do século XIX, por Charles (1746-1823), Gay-Lussac, Regnault (1819-1878) e outros. No século XVIII, as escalas de temperatura atingiram o máximo de confusão, tanto que, em 1779, existiam oR, de Réamur (1683-1757), oF, de Fahrenheit, oC (apresentado em 1742), de Celsius (1701-1744) e Linné etc., num total de 19 escalas. Foi bem mais tarde, já em 1848, que a escala termodinâmica de temperatura, que é independente do tipo do material usado e bastante teórica, foi apresentada por W. Thomson (1824-1907), depois Lord Kelvin.

Quanto à medição da quantidade de calor, devido à confusão causada por vários erros com a hipótese flogística, já mencionada no PP das Ciências (Aspectos Gerais), permaneceu bastante atrasada, em comparação com a da temperatura. O calor latente foi descoberto em 1756 por Black (1728-1799). Em 1760, ele introduziu o conceito da capacidade térmica. O conceito do calor específico foi devido a Wilcke (1732-1796). Por volta de 1783, Lavoisier e Laplace (1749-1827) mediram o calor específico de vários materiais e construíram o calorímetro de gelo. A propósito, a primeira máquina a vapor, na qual se usava o próprio cilindro como caldeira, foi construída no século XVII por Papin (1647-1712); em 1711, Newcomen (1663-1729) separou o cilindro da caldeira e Watt (1736-1819), em 1769, conseguiu aumentar a eficiência da máquina, evitando o resfriamento do cilindro, através da instalação separada do condensador. Nessa época, o progresso da tecnologia adiantava-se ao pensamento científico.


Marmita de Papin


Máquina de Savery

Máquina de Newcomen

Máquina de Watt

Completamento da termodinâmica. Em 1798, von Rumford (1753-1814) notou, durante a fabricação de um canhão, o surgimento do calor de fricção, ao observar que resíduos de ferro tinham temperatura muito alta. Nessa época, a hipótese do flogístico já havia sido desprezadas graças a Lavoisier e, então, foi aparecendo lentamente o raciocínio de que o calor era uma forma de energia. 
Em 1842, Mayer (1814-1878) calculou a equivalência do trabalho em calor, a partir da expansão adiabática de gases. Na sua longa pesquisa de quase 30 anos, a partir de 1845, Joule (1818-1889) mediu diretamente a equivalência de trabalho e calor, em 'eletricidade' etc. Essa equivalência foi formalizada matematicamente em 1847 por Helmholtz (1821-1894), de modo mais geral, sob a forma da lei de conservação da energia, que se tornou o que atualmente chamamos de primeira lei da termodinâmica
Por outro lado, Carnot (1796-1832) obteve, em 1824, a sua lei, onde a eficiência da máquina térmica ideal, que funcionava através  transferência do calor da fonte quente de temperatura T1 para a fonte fria de temperatura T2, é dada por (T1 - T2)/T1
A utilidade dessa lei, que surgiu por necessidade tecnológica, foi sendo reconhecida e, em 1848,
W. Thomson explicou o abaixamento do ponto de solidificação pela aplicação da pressão e, em 1850, Clausius (1822-1888) deduziu, também com isso, a equação de Mayer e Poisson (1781-1840) para o gás ideal. Ambos chegaram à idéia da generalização do princípio de Carnot (o primeiro em 1851 e o último em 1850), e concluíram a segunda lei da termodinâmica, na qual não se pode transferir calor de um lugar de temperatura baixa para o de temperatura alta sem acarretar alguma mudança fora do sistema. 
Foi Clausius que, em 1865, modificando matematicamente ainda mais essa lei, chegou ao conceito de entropia. A terceira lei da termodinâmica, em que o calor específico à pressão constante é nulo na temperatura 0 K, foi obtida em 1906 por Nernst (1864-1941). Em 1910, essa lei foi coordenada por Planck (1858-1947) sob a forma de que a entropia de material quimicamente homogêneo torna-se zero a 0 K. 
A essa altura, a termodinâmica era utilizada em um vasto campo, cobrindo as ciências pura e aplicada, e começando a mostrar sua força como um ramo já concluído da ciência. 
Em 1874, Gibbs (1839-1903) começou a tratar o equilíbrio químico termodinamicamente e, em 1875 Rayleigh (1842-1919) esclareceu a relação entre a entropia e a direção das reações químicas. Em 1877, van’t Hoff (1852-1911) resolveu termodinamicamente o problema da solução diluída. No mesmo ano, Helmholtz obteve êxito ao aplicar a termodinâmica para o problema da transformação da energia na pilha.

Primeiros Passos da Ciência (Geral)
Primeiros Passos da Física (parte 1)
Primeiros Passos da Física (parte 2)
Primeiros Passos da Física (parte 3)
Primeiros Passos da Física (parte 4)
Primeiros Passos da Física Clássica (Parte 1)
Primeiros Passos da Física Clássica (Parte 2)
Primeiros Passos da Física Moderna
Primeiros Passos da Mecânica Quântica (Parte 1)  
Primeiros Passos da Mecânica Quântica (Parte 2)  
Primeiros Passos da Mecânica Quântica (Parte 3)  
Métodos dos Passos da Física (Parte 1)
Métodos dos Passos da Física (Parte 2)
Métodos da Teoria da Relatividade (Parte 1)

Métodos da Teoria da Relatividade (Parte 2) (em preparo)
Métodos da Teoria da Relatividade (Parte 3) 
(em preparo)


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