História e epistemologia da Física/A Termodinâmica e a Revolução Industrial

Energia

O conceito de energia

“O conceito de ‘energia’ não é primitivo. Os estudantes vêm com concepções espontâneas sobre energia. Ou vêm como tabula rasa e adquirem-nas dos livros ou vêm com jargão adquirido na escola, sem entendimento profundo do que é energia ou de onde veio.”

Energia possui um conceito abstrato, um tanto vago. Alguma vertentes colocam como "vitalidade", energia é conservável.

A Energia na Mídia

Energia na linguagem quotidiana: real, sinônima de força e poder (‘gastar energia’, ‘armazenar energia’ e ‘produzir energia’)

Estudantes: concepções alternativas x concepções científicas

Publicidade: induz ao consumo de produtos que ‘dão força e energia’

Formação do conceito de energia

"Deve-se a Kepler, no seu Harmonices Mundi (1619), a primeira distinção entre ‘força’ e ‘trabalho’ e a introdução da palavra ‘energia’. O conceito será mais claro com Galileu que a designa pela palavra ‘momento’. Watt demonstra a importância do conceito nas suas pesquisas com a máquina a vapor."

Preliminares

1669: Becher propõe teoria de combustão envolvendo a ‘terra combustível’ (Latim terra pinguis).

1689: Leibniz desenvolve o conceito de vis viva

1702: Amontons introduz o conceito de zero absoluto, baseado em experimentos com gases

1734: Stahl renomeia a terra pinguis de Becher como flogisto

1738: Daniel Bernoulli publica a sua Teoria Cinética dos Gases

1761: Joseph Black descobre que, na fusão, o gelo absorve calor sem mudança de temperatura

1783: Lavoisier descobre o oxigênio e propõe uma teoria do calórico, desprezando o flogisto

1791: Prévost mostra que todos os corpos radiam calor independentemente da temperatura

Formação do conceito de energia

Huygens e Bernoulli (séc. 17): não há o movimento perpétuo

Faraday (séc. 19): a energia não é criada por contacto metálico na pilha de Volta

Helmhotz (séc. 19): contra a energia vital

Má definição de energia

"A definição de energia como a capacidade de realizar trabalho não deve ser utilizada nem mesmo como uma definição inicial, mesmo com a ressalva da sua inadequação, pois é tão curta e fácil de memorizar que os estudantes podem retê-la por muito tempo."

"O conceito de que energia é a habilidade de realizar trabalho data do século XVII. Só foi questionado quando a energia foi definida quantitativamente como uma quantidade conservada por Helmholtz. Em dez anos a formulação da 2ª Lei da Termodinâmica refutou essa definição."

"A definição de energia deve basear-se em ambas as 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica. […] Se não for possível escrever uma definição satisfatória em poucas palavras, teremos que aprender a viver sem ela."

‘Armazenar’ energia

"Energia é uma quantidade abstrata, inventada para auxiliar a humanidade na investigação da natureza. Como conseqüência, é impossível armazenar uma abstração - como queijo na geladeira! Os números 1, 2, 3, … são também uma invenção humana. São também quantidades abstratas. Quem já pensou em armazená-los? Podemos armazenar objetos representando números, mas então são os objetos que são armazenados, não os números eles mesmos."

"Se alguma coisa é armazenada em sentido literal, então é material. Podem-se armazenar combustíveis e livros. Se uma coisa é armazenada em sentido metafórico, pode estar associada a alguma coisa material. Desta forma, pode-se dizer que armazenamos energia nos combustíveis e informação nos livros. A idéia de informação como substância não faz sentido."

" Não se tem energia na bateria, tem energia pelo sistema formado dentro desta bateria, não se tem energia num corpo específico."

Situações quotidianas

Situações, nas quais dizem que se gasta energia: andar e correr, lançar uma bola contra uma parede, içar um peso, empurrar uma parede, arrastar uma caixa, impedir a queda de uma pessoa, esticar uma mola, lâmpada acesa, motor em rotação, fogo aceso, TV ligada, chuveiro elétrico.

Uma definição de energia

"Energia é necessária quando se quer que algo seja posto em movimento, acelerado, levantado, iluminado ou aquecido e em muitos outros processos."

Muitos livros definem energia como "capacidade de realizar trabalho". Mas esta é uma definição limitada a uma área restrita: a Mecânica. Um conceito mais completo de energia deve incluir outras áreas (calor, luz, eletricidade, por exemplo). À medida que procuramos abranger áreas da Física no conceito de energia, avolumam-se as dificuldades para se encontrar uma definição concisa e geral.

Mais fácil é descrever aspectos que se relacionam à energia e que, individualmente e como um todo, nos ajudam a ter uma compreensão cada vez melhor do seu significado. Exemplos; Energia Mecânica: Queda da água sendo convertida em energia elétrica Energia cinética: Um automóvel que pára é igual à soma das diversas formas de energia nas quais ela se converte durante o acionamento do sistema de freios que detém o carro por atrito nas rodas

Formação do conceito de energia

"Na sua dissertação, Elkana assume que o conceito de energia como nós o conhecemos hoje (na física clássica não-relativística) vem de Helmholtz que estabeleceu o princípio de conservação de energia. […] Isto é, o conceito de energia tornou-se significativo apenas através do estabelecimento do princípio de conservação de energia em toda a sua generalidade."

"‘Energia’ na linguagem diária é uma quantidade que pode ser produzida e consumida mas não conservada. A idéia da conservação de energia parece desenvolver-se muito tarde, se se desenvolve de todo, no percurso do desenvolvimento cognitivo da criança. Os estudantes têm grande dificuldade de entender energia como uma quantidade conservada"

O Princípio da Conservação da Energia

Helmhotz descobriu o Princípio da Conservação da Energia estudando metabolismo muscular.

tentou demonstrar que nenhuma energia é perdida no movimento muscular, motivado pela implicação de que não havia ‘forças vitais’ envolvidas, conceito da tradição especulativa da Naturphilosophie, paradigma dominante na Fisiologia germânica.

Baseado nos trabalhos anteriores de Carnot, Clapeyron e Joule, postulou uma relação entre a mecânica, calor, luz, eletricidade e magnetismo, tratando todas como manifestações de uma única ‘força’ (energia). Publicou suas teorias no livro Über die Erhaltung der Kraft (Sobre a Conservação da Energia, 1847).

"A Lei da Conservação da Energia não é derivável das leis de movimento. É uma afirmação independente sobre a ordem da natureza"

ou seja, é um Princípio, não um Teorema ou uma Lei. Pode ser formulada e utilizada, mas nunca provada. ‘’Acredita-se‘’ que exista, porque afinal, é útil e funciona.

"O princípio [da conservação da energia] é facilmente mal compreendido como implicando armazenamento de energia num sistema material. Simplesmente ensinando a dissipação e degradação de energia antes da conservação elimina muito desta confusão. Se reformulado de forma a dar uma indicação positiva do seu papel como um balanço de energia, o princípio torna-se mais fácil de se usar em problemas simples."

"A Energia nunca é criada e nem destruída: há sempre a mesma quantidade de energia no fim como no princípio."

Termodinâmica

No século XVIII, embora haja universidades e academias nos grandes centros, mais uma vez é por motivos práticos que a Física se desenvolve. A revolução industrial marca nova fase da Física. As áreas de estudos se especializam e a ligação com o modo de produção torna-se cada vez mais estreita. Estuda as relações entre calor e trabalho. Baseia-se em dois princípios: o da conservação de energia e o de entropia. Estes princípios são a base de máquinas a vapor, turbinas, motores de combustão interna, motores a jato e máquinas frigoríficas. A partir de uma máquina concebida para retirar a água que inundava as minas de carvão, o inglês Thomas Newcomen cria em 1698 a máquina a vapor, mais tarde aperfeiçoada pelo escocês James Watt. É em torno do desempenho dessas máquinas que o engenheiro francês Sadi Carnot estabelece uma das mais importantes sistematizações da termodinâmica, delimitando a transformação de energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho). Termodinâmica 1761: o inglês Joseph Black cria a calorimetria, o estudo quantitativo do calor. 1784: os franceses Antoine Lavoiser e Pierre Laplace inventam o calorímetro de gelo.

Termodinâmica e Mecânica

A Mecânica é conversões de energia potencial em cinética e vice-versa. 

A Termodinâmica estuda os fenômenos relacionados com trabalho, calor e entropia e as leis que comandam esess processos, ou seja a termodinâmica estuda as variações da energia interna.

Não se conhece nenhum indivíduo que estuda termodinâmica e fala sobre energia gravitacional.

Sistemas dissipativos

sistemas reais: não há conservação de energia mecânica

introdução do conceito de energia interna

transformação de energia mecânica em interna

Energia interna

potencial

pode ser recuperada

Ex.: mola, pêndulo, montanha russa

cinética

não pode ser recuperada

Ex.: movimentos internos desordenados

A 1ª Lei da Termodinâmica

Energia, Trabalho e Calor

É o da conservação da energia. Diz que a soma das trocas de energia em um sistema isolado é nula. Se, por exemplo, uma bateria é usada para aquecer água, a energia da bateria é convertida em calor mas a energia total do sistema, antes e depois de o processo começar, é a mesma. No segundo principio em qualquer transformação que se produza em um sistema isolado, a entropia do sistema aumenta ou permanece constante. Não há portanto qualquer sistema térmico perfeito no qual todo o calor é transformado em trabalho. Existe sempre uma determinada perda de energia.

Dados Biográficos

Cientista anglo-americano, foi aprendiz de comerciante em Salem, onde adquiriu o interesse pela Ciência. Em 1772, aos 18 anos, se casou com uma viúva rica(Sarah Rolfe) de 30 anos de idade e decidiu tornar-se um cavaleiro militar e fazendeiro. Aos 19 anos tornou-se major da Milícia de New Hampshire.

Guerra Civil: A Nova Inglaterra era o centro da Revolução Americana, ele optou em apoiar a posição legalista, favorável a Inglaterra. Em 1776 abandonou os Estados Unidos fugindo para a Inglaterra, onde retomou seus interesses científicos.

Em 1804 casa-se com Marie-Anne Lavoisier, por causas das brigas constantes e dramáticas, separou-se de Marie.

Contribuições

Quando trabalhou numa fábrica de armas em Munique, na Alemanha, observou que quando se fazia o furo no cano de um canhão, produzia muito calor. Então, resolveu usar uma broca cega para fazer outro furo, de modo que o metal fosse cortado rapidamente. Assim, verificou que podia produzir calor por horas a fio, portanto se não há limite para a quantidade de calor extraída por atrito, o calor não pode ser uma substância. Através dessas experiencias, observações e conclusões desenvolveu a ideia de que calor é uma forma de energia cinética, refutando a teoria do calórico.

Trabalho e calor

trabalho:

• motores elétricos

calor:

• aquecedores
• fogões elétricos
• lâmpadas

Energia, Trabalho e Calor

trabalho e calor são as formas de se transferir energia de um sistema a outro

convenção (máquina térmica):

• Q>0 (fornecido)
• W>0 (fornecido)

Trabalho e calor

obtenção de calor a partir do trabalho (W®Q) (pré-histórico)

• fazer fagulhas com pedras
• acender um fósforo

obtenção de trabalho a partir de calor (Q®W) (séc. XVIII)

• explosivos
• máquina térmica

Dados Biográficos

matemático e físico escocês

1804: observa que uma superfície negra mate radia calor mais eficientemente do que uma polida sugerindo a importância da radiação de corpo negro

1810: congela água artificialmente com uma bomba de ar

1808: Dalton propõe que a capacidade calorífica dos gases varia inversamente com o peso atômico

1813: Peter Ewart defende a idéia da conservação da energia em trabalho que influencia fortemente Dalton e seu aluno, James Joule

Dados Biográficos

cientista amador

1841: escreveu um artigo expressando o Princípio da Conservação da Energia que é rejeitado por não ter treinamento acadêmico

1842: fez conexão entre trabalho, calor e o metabolismo humano baseado em suas observações do sangue enquanto cirurgião de um navio

calculou o equivalente mecânico do calor (1 cal = 4,184 J)

1843: John James Waterston expõe a teoria cinética dos gases, mas é ridicularizado e ignorado

1847: Hermann von Helmholtz publica a definição definitiva da conservação da energia, a 1ª Lei da Termodinâmica

Dados Biográficos

físico inglês

estudou a natureza do calor e descobriu sua relação com o trabalho mecânico

o que o levou ao Princípio da Conservação da Energia e à Primeira Lei da Termodinâmica

trabalhou com Kelvin para desenvolver sua escala de temperaturas

encontrou a relação a corrente elétrica e o calor dissipado (Lei de Joule)

Equivalência Calor/Trabalho

Joule (1845) demonstrou a equivalência entre trabalho e calor

aumentou a temperatura de água ao realizar trabalho

efeito esperado para fornecimento de calor

o trabalho realizado sobre um sistema é transformado diretamente em energia interna sem transferência de calor.

aquela é equivalente ao calor necessário para tal.

Preliminares

5° século a.C.: ar, fogo, água e terra dão suporte a várias teorias de combustão

c.460 a.C.: Leucipo propõe a teoria de que tudo no universo é constituído de átomos e vácuo

c.350 a.C.: Aristóteles proclama que a “Natureza tem horror ao vácuo”

Heron de Alexandria

æolipília (bola d’água)

usada para provar a pressão do ar sobre os corpos

1ª máquina a vapor

1643: Galileu mostra que o “horror ao vácuo” é limitado pois bombas só conseguem sugar água até 10m. encoraja a investigação de seu discípulo Torricelli que acaba inventando o barômetro e o termômetro

1620: Francis Bacon sugere que calor é relacionado a movimento

1660: Boyle descobre sua lei relacionando pressão e volume de um gás

Máquinas térmicas

cíclicas

uma fonte quente (caldeira) e uma fria (condensador)

Dados Biográficos

vendedor de ferragens e pregador Batista inglês

inventor da 1ª máquina a vapor

frequentemente denominado “Pai da Revolução Industrial”

conexões batistas ajudaram a difundir sua máquina

Contribuição

1698: 1ª máquina a capturar o poder do vapor para produzir trabalho mecânico

usada principalmente para retirar água de minas de carvão

mais uma vez a Física se desenvolve por motivos práticos.

ineficiente, aperfeiçoada por Watt

Watt foi solicitado a consertar um modelo na Universidade de Glasgow

Dados Biográficos

Nasceu na Escócia, seu pai era construtor de navios e para enterter o filho lhe dava como brinquedo, por exemplo, bússolas na qual aprendeu a montar e desmontar em pouco tempo.

Sua mãe que lhe deu educação, ensino-o a ler e ter algumas noções de matemática. engenheiro e inventor escocês

presbiterianos

estudou com a mãe em casa

Contribuição

quis ser instrumentador (fabricante de ferramentas) mas faltava-lhe o aprendizado para a Guilda (corporação de classe), portanto não poderia exercer a profissão

professores permitiram-lhe abrir oficina na Universidade, como ela tinha autonomia, a Guilda não poderia interferir

foi discípulo de Joseph Black

introduziu o condensador na máquina de Newcomen

Locomotiva

1814: George Stephenson

revoluciona os transportes:

• navios a vapor
• carros a vapor

A Revolução Industrial (c. 1760 - c. 1840)

A revolução industrial que começou na Grã-Bretanha durante o século XVIII e se estendeu até o início do século XX marca o surgimento de grandes conquistas, que irão mudar os rumos de toda a humanidade a partir de então. A Grã- Bretanha tornou-se a potência econômica Internacional dominante, sendo que muitos de seus mercadores da época acumularam fortunas.

A posição da Grã-Bretanha como ilha e a proximidade com as principais rotas marítimas entre a Europa e o resto do mundo deram-lhe grandes vantagens. Deve-se também considerar o grande número de portos naturais e rios navegáveis, que contribuíram para tais vantagens.

O rápido desenvolvimento industrial exigiu muito do combustível existente na época. Em meados do século XVIII, as florestas existentes estavam esgotadas, as minas de carvão quase todas esgotadas, e as tecnologias existentes para drenagem de poços de minas mais profundas eram inadequadas.

A invenção de bombas a vapor possibilitou uma exploração mais intensa dos recursos minerais britânicos. A descoberta da fundição de ferro, através da utilização de coque (carvão resultante da destilação da hulha) também possibilitou uma exploração bastante intensa dos recursos minerais da época.

O produto mais importante e exportado da época era o tecido de lã, isso tornaria difícil atender a demanda. Surgiram novas máquinas, como a máquina de fusos múltiplos, que conseguia produzir grandes quantidades de fios, principalmente de algodão, que eram importados dos Estados Unidos, em quantidades cada vez maiores. Novos aparelhos de fiação foram surgindo na década de 1770, e em 1785, surge o tear mecânico de Cartwright marca o fim da tecelagem manual. Isso irá promover o desenvolvimento das indústrias têxteis nos Estados Unidos e em grande parte da Europa.

A partir de então aqueles que possuíam capital passaram a investir em maquinário, e aqueles que não possuíam recursos financeiros para se tornarem "produtores", saíam de casa para trabalharem nas fábricas, em troca de um salário, onde os engenhos a vapor marcavam passo.

O século XVIII (em relação a industrialização) também foi marcado por algumas inovações no processo de produção e fundição de ferro, que era utilizado pelo maquinário, pelos navios e nas rodovias. Somente em 1857, foi descoberto o método e fundição de aço em grande escala, conhecido como processo Bessemer, isso iria possibilitar o rápido crescimento industrial da Alemanha e dos Estados Unidos.

Surge então as primeiras tentativas experimentais para drenar água das minas, que irão culminar com os primeiros engenhos a vapor (Savery 1698) e (Newcomen 1712). No entanto apenas quando James Watt reprojetou o aparelho de Newcomen é que passou a existir uma bomba a vapor mais barata e eficiente. Com isso a partir de 1781, os motores a vapor rapidamente se espalharam, e assim como as bombas, os motores a vapor iriam gerar energia para o maquinário fabril, para as locomotivas e também aos navios. Nota-se então que todo esse desenvolvimento foi possível graças ao vapor.

Entretanto isso levaria a uma maior produção de carvão, porém a mineração em maior profundidade era perigosa para os mineiros, que incluíam crianças a partis dos 4 anos de idade.O elemento fundamental para o processo de crescimento da indústria da época era o carvão, assim tais indústrias cresciam em locais próximos a existência de grande quantidade de carvão.

Manufatura

O artesão possui os meios de produção (oficina e ferramentas), onde trabalha com a sua familia em sua casa, este realiza todas as etapas, desde o preparo da matéria-prima até o acabamento final. Não havia divisão dos lucros ou especialização. O aprendiz tinha que aprender com o mestre, admitindo-se, assim, ajudantes ou aprendizes (Guildas)

Quando o objeto feito pelo artesão fazia sucesso, ele afirmava que era dele mesmo, ele é que tinha feito e aproveitava em utilizar seu nome (como hoje usamos as marcas), porém se o objeto fosse péssimo ninguém assumia a culpa, ou seja não diziam que tinha produzido-o.

Visão romântica

desvalorização do artesanato pela mecanização

o artesão possui os meios de produção e controla os lucros

o artesão tem alto grau de satisfação e identificação com o produto final

na linha de montagem, o operário não se realiza pois apenas executa uma operação repetitiva e não se identifica com o produto

Causas?

Independência Americana (1776) e Revolução Francesa (1789)

maior sobrevivência infantil  maior mão de obra

menor demanda de mão de obra rural  maior mão de obra urbana

expansão colonial  maior capital

inovação tecnológica (máquina a vapor)

Estatuto dos Monopólios (p/ inventores)

Porque na Inglaterra?

Renascimento (Revolução Científica)

liberalismo econômico  Guildas

estabilidade política (Vitorianismo: 63 anos)

maior poder de compra

grande mercado de exportação de têxteis

riqueza de matérias primas (carvão, ferro)

Ética protestante (Max Weber)

exclusão pela Igreja Anglicana e governo

Na China

cultura centrada na família, c/ prevalência da tradição

métodos artesanais eram eficientes o suficiente para dispensar a industrialização

recursos em quantidade para desperdício

Benjamin Elman: armadilha do equilíbrio de alto nível:

• China: 66% da população  80% da produção
• Europa: 20% da população  <20% da produção

Conseqüências

Inglaterra adianta-se 50 anos em relação ao continente europeu no nível de industrialização

Inglaterra sai na frente na expansão colonial (p/ conquistar mercados de matéria-prima e p/ produtos)

novas classes sociais:

• empresários (capitalistas)
• operários (trabalhadores assalariados)

Com a expansão da industrialização surgiu a necessidade de aumentar o número de operários destinados à indústria. Na época a mão-de-obra disponível para o setor estava escassa não somente em número e qualificação, mas principalmente em adaptação à nova cultura de trabalho. Tanto camponeses quanto artesãos acostumados a desenvolverem todas as etapas do processo de produção não conseguiam se adaptar as linhas fracionadas de produção. A democratização da educação surgiu como solução para esse problema, visando formar operários preparados para exercer tais funções, onde a visão holística deixa de ter importância, o que importa é formar operários que saibam bem apenas uma parte do processo de produção.

especialização e divisão do trabalho

êxodo rural

urbanização

indústria gráfica

expansão ferroviária

Sindicalismo

mecanização do campo

migração

mercantilismo

colonialismo

armamentismo

aceleração do progresso (exponencial)

Luddismo (resistência à mecanização)

feminismo

sufragismo (luta pelo direito ao voto)

Romantismo

Contraposição ao Classicismo.

Abandono dos temas clássicos.

Ênfase em mulheres e crianças.

Respeito por uma Natureza selvagem e “pura”.

Sintonia com momento histórico.

Temas:

• patriotismo,
• nacionalismo,
• revolução,
• lutas armadas pela independência

Principais artistas

• Delacroix: suas obras apresentam forte comprometimento político, e o valor da pintura é assegurada pelo uso das cores, das luzes e das sombras, dando-nos a sensação de grande movimentação. Representava assuntos abstratos personificando-nos. Obras destacadas: A libertação guiando o povo e Agitação de Tânger.

• Géricault: começou seus estudos com o pintor impressionista Camile Pissarro, embora tenha ficado conhecido como o pintor do Pós-Impressionismo. Teve uma atitude radical na sua vida artística por volta de 1880, quando abandonou a tendência impressionista e partiu para a pesquisa de cores e simplificação das formas. Desenvolveu um estilo de representação singular da natureza com formas simbólicas simplificadas e grandes campos de cores vivas chapadas.Sua obra mais conhecida é A jangada da Medusa" (1819). É também o autor de A Child Murderer.

• Goya:sua mitologia povoada por sonhos e pesadelos, seres deformados, tons opressivos. Senhor absoluto da caricatura do seu tempo. Trabalhou temas diversos: retratos de personalidades da corte espanhola e de pessoas do povo, os horrores da guerra, a ação incompreensível de mostros, cenas históricas e as lutas pela liberdade. Obra destacada: Os Fuzilamentos de 3 de maio de 1808.

• Turner: representou grandes movimentos da natureza, mas por meio do estudo da luz que a natureza reflete, procurou descrever uma certa atmosfera da paisagem. Uma das primeiras vezes que a arte registra a presença da máquina(locomotiva). Obras destacadas: Chuva, Vapor e Velocidade e o Grande Canal, Veneza.

La Liberté guidant le peuple, Delacroix

Delacroix Eugène Delacroix nasceu em 26 de abril de 1798, em Charenton-St-Maurice, França

Em 1815 ele se tornou o aluno do pintor francês Pierre-Narcisse Guerin e começou uma carreira que iria produzir mais de 850 pinturas e um grande número de desenhos, pinturas murais, e outras obras

Em 1822 Delacroix apresentou a sua primeira imagem para o importante Paris Salon exposição: ""Dante e Virgílio no Inferno""

A técnica utilizada neste trabalho - unblended muitas cores formam aquilo a uma distância olha como um todo unificado - mais tarde iria ser utilizado pelo impressionistas

Calor e Temperatura

os Gregos de Alexandria já sabiam que o ar expande quando é aquecido

Filo de Bizâncio (séc. 3 a.C) fez um 'termoscópio'

Galileu (1592) foi o primeiro a colocar uma escala no ‘termoscópio’

pensava-se que o calor era um fluido chamado de calórico por Lavoisier

unidade de calor: caloria

Joseph Black (séc. XVIII): distinção entre calor e temperatura

Temperatura

nossa percepção é enganadora

ilusão de temperatura: água quente ou fria?

Medida da Temperatura

medições baseadas nas alterações de suas propriedades

• aumento de volume
• aumento de pressão
• mudança de cor
• mudança de estado
• mudança de condutibilidade
• etc.

Primeiro termômetro

1665: Huygens sugere usar pontos de fusão e ebulição da água como padrões

1701: Røemer:

• com vinho tinto(!)
• 0°: mistura de água, gelo e sal (~ -14°C)

A escala Fahrenheit

• mínima: mais baixa temperatura em laboratório: mistura de água, gelo e cloreto de amônio (0°F)
• máxima: temperatura do corpo humano (96°F)

dividiu escala em 12 ‘graus’ (sugestão de Newton)

depois redividiu cada ‘grau’ por 8

1724: termômetros de mercúrio, aperfeiçoou a escala de Røemer

•  congelamento da água: 32°F
•  ebulição da água: 212°F (180°F acima)

Dados Biográficos

Era físico e naturalista francês.

Era membro da academia de Ci~encias de Paris e ficou conhecido pelos trabalhos realizados em matemática, mecânica, metalurgia e química aplicada a física.

A escala Réamur

1731: Réamur simplifica a escala de Fahrenheit

• congelamento da água: 0°R
• ebulição da água: 80°R

A correspondência entre as escalas Réaumur, Celsius e Fahrenheit é a seguinte: 4°R = 5°C = 9°F

A escala Celsius

1741: Celsius altera a escala de Réamur:

• congelamento da água: 100°C
• ebulição da água: 0°C

Anders Celsius era Astrônomo, físico e professor sueco.

1744: Linnaeus inverteu a escala

inicialmente chamada de escala centígrada (100 partes)

praticamente universal (exceto EUA, Jamaica, etc.)

9ª CGPM (1948): mudou nome p/ escala Celsius

William John Macquorn Rankine (1820-1872)

engenheiro e físico escocês

1850: usou sua teoria de vórtices para estabelecer relações entre temperatura, pressão e densidade dos gases, para o calor latente de evaporação de um líquido

1854: introduziu sua função termodinâmica, posteriormente conhecida como entropia

1859: escala Rankine: também absoluta, mas baseada em 180, como a Fahrenheit (0°C  491,67 Ra)

William Thomson (Lord Kelvin) (1824 – 1907)

1873: previsor de ondas:, baseado numa sugestão de Beauchamp para soma funções trigonométricas com períodos independentes [1]

Termômetro a gás

termômetros de líquido dependem da substância utilizada

Charles e Gay-Lussac

pontos: fusão do gelo, ebulição da água

Termômetros de mercúrio

Os termômetros de mercúrio tem o seu uso limitado, uma vez que não podem ser utilizados para medir temperaturas próximas -39°C, pois o mercúrio se congela a essa temperatura, assim como também não pode ser utilizado para medir temperaturas acima de 300°C, pois o mercúrio ferve a aproximadamente 357°C. Para a medição de baixas temperaturas utiliza-se o termõmetro de álcool ou de tolueno. Podemos utilizar os termômetros de mercúrio para medir temperaturas de até 550°C, desde que estes tenham a sua parte vazia, preeenchida com nitrogênio ou hidrogênio.

Termômetros de máxima e de mínima

É um instrumento que indica as temperaturas máxima e mínima atingidas por um corpo num determinado intervalo de tempo.Os termômetros clínicos são termômetros de máxima.

Temperatura absoluta

0 Kelvin (equivalente a -273,15º C ou -459,6º F) ou "zero absoluto" não existe em estado natural. A esta temperatura a atividade molecular (atômica) é nula.

Se a pressão tende a zero, o quociente p1/p0 tende a um valor independente do gás de 1,366

Não há pressões negativas Þ zero absoluto = -273,16ºC = 0 K

Escala Kelvin

K: verdadeira unidade de medida (o dobro do valor para o dobro da energia interna) (nas outras escalas, não)

1948-54: “graus absolutos” (confusão c/ escala Rankine, também absoluta)

até 13ª CGPM (1967-8): “graus Kelvin”

hoje: kelvin (símbolo K)

Kelvin

Lord Kelvin (1824- 1907) é como ficou conhecido o físico irlandês William Thomson, barão Kelvin of Largs. Filho de matemático, forma-se em Cambridge e depois se dedica à ciência experimental. Em 1832 descobre que a descompressão dos gases provoca esfriamento e cria uma escala de temperaturas absolutas.

1848: estende o conceito de zero absoluto de gases para todas as substâncias

1852: c/ Joule demonstram que um gás em expansão rápida esfria

1874: formalmente enuncia a 2ª Lei da Termodinâmica

Entropia

Tendência natural da energia se dispersar e da ordem evoluir invariavelmente para a desordem. O conceito foi sistematizado pelo austríaco Ludwig Boltzmann ( 1844-1906) e explica o desequilíbrio natural entre trabalho e calor.

Processos espontâneos

• a água desce
• um gás expande-se
• o calor flui do corpo mais quente para o mais frio
• o ferro enferruja (oxida-se)
• o gelo derrete-se (DH=+6,01kJ>0!)
• NH4NO3(s) ® NH4+(aq)+NO3-(s) (DH=+25kJ>0)

Noção de entropia

a variação de entalpia não é suficiente para prever a espontaneidade de um processo

a entropia é uma medida do grau de desordem de um sistema

1824: Sadi Carnot analisa a eficiência de máquinas a vapor usando a teoria do calórico. Postula a inexistência de processos reversíveis na Natureza, dando base para a 2ª Lei da Termodinâmica

1827: Robert Brown descobre o movimento persistente das partículas de pólen e de corante na água

Existe uma relação entre tempo e entropia? Parece que sim. Vamos analisar algumas situações, a partir da definição da segunda lei da termodinâmica. Primeiro: Quando você coloca um cubo de açucar no seu café, o cubo se dissolve. Após ser dissolvido o cubo não volta a ser cubo, será apenas pequenos grãos de açucar. Se você abrir um vidro de perfume, numa sala fechada sentirá o agradável cheiro do perfume, se espalhando pela sala. Iso ocorre devido aos choques entre as moléculas do perfuma com as moléculas dos gases que compõem o ar, e assim o perfume vai se espalhando, porém você não verá as moléculas espontâneamente voltando para o frasco de perfume. Um outro exemplo é o omelete. Você quebra um ovo para fazer um omelete, e então jamais você verá um omelete virar ovo novamente. Isso indica que o tempo também tem uma direção preferencial, pois se os precessos acima descritos fossem reversíveis, o tempo estaria andando para trás. Logo poderíamos pensar o seguinte:me verei no passado, antes mesmo de completar meu primeiro ano de vida. Graças a segunda lei da termodinâmica não, ou melhor graças ao fato de que todos os sistemas que não trocam energia com o exterior tenderem a aumentar o seu grau de desordem (entropia)não nos veremos no passado.A ntropia de um sistema numca decresce, pode apenas aumentar ou permanecer constante. Conclui-se então que a entropia entre o cubo de açucar e a xícara é menor do que os grãos de açucar espalhados pelo volume do café.Outra conclusão a que chegamos é que se também não podemos nos enxergar no passado é porque a entropia cresce, mas ela só cresce porque o tempo vai para a frente.

A 2ª Lei da Termodinâmica

numa máquina térmica, não é possível transformar todo o calor em trabalho; é inevitável desperdiçar algum calor. Arthur Eddington (astrofísico britânico) disse certa vez:Se a sua teoria contrariar alguma lei da física tudo bem, é possível que a lei deva ser modificada. Mas se essa lei for a segunda lei da termodinâmica, pode colocar a sua teoria no lixo. A segunda lei da termodinâmica é a lei mais fascinante, e talvez a mais óbvia, no entanto ela esconde algo muito fascinante: o grande mistério da passagem do tempo, isso será explicado no estudo da entropia.Lá veremos que por trás desta bela lei natural, está o segredo da desordem do universo.

Clausius

Rudolf Clausius (médico Alemão) 1854: estabelece a importância do termo dQ/T mas sem denominar a quantidade

1865: introduz o conceito de entropia

Gibbs

1876: Josiah Willard Gibbs(1844-1906) publica seu artigo em que discute equilíbrio de fases e sua Energia Livre como a força por trás das ligações químicas e termodinâmica química em geral Segundo A.Einstein, o livro de Gibbs era difícil de ler,cujos pontos principais se encontravam nas entrelinhas, mas sem dúvida uma obra-prima. "Numca encontrei Willard Gibbs, se o tivesse conhecido talvez o colocasse na frente de Lorentz", A. Einstein.

Maxwell

1859: descobre a Lei da distribuição das velocidades moleculares

1867: discute se seu demônio poderia reverter um processo irreversível

1854: Helmholtz propõe a idéia da ‘morte’ térmica do Universo

1859: Kirchhoff mostra que a emissão de energia por um corpo negro é função apenas da temperatura

1877: Boltzmann estabelece a relação entre entropia e probabilidade

1879: Jožef Stefan observa que o fluxo total de radiação de um corpo negro é proporcional à quarta potência de sua temperatura (Lei de Stefan-Boltzmann)

1893: Wilhelm Wien descobre a Lei da Radiação do Corpo Negro

Ver também

• GOTTSCHALL, Carlos Antonio Mascia. Do mito ao pensamento científico: A busca da realidade, de Tales a Einstein. São Paulo : Atheneu, 2004.
• GURGEL & PIETROCOLA. Modelos e realidade: um estudo sobre as explicações acerca do calor no século XVIII. Anais do X EPEF. (disponível em http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/x/sys/resumos/T0122-1.pdf)

• Física do século XVIII
• Física do século XIX
• Termodinâmica
• Revolução Industrial
• Romantismo

Este módulo tem a seguinte tarefa pendente: Incluir linha de tempo