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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.

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

 

*** Segue  Gelo, água e vapor postos a trabalhar --- parte 2 ***

 


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