História e epistemologia da Física/A Termodinâmica e a Revolução Industrial: diferenças entre revisões

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*congelamento da água: 0°R
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*ebulição da água: 80°R
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René Antonie Ferchault, senhor de Réaumur(1683 - 1757),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 correspondência entre as escalas Réaumur,Celsius e fahrenheit é a seguinte: 4°R = 5°C = 9°F


=== A escala Celsius ===
=== A escala Celsius ===
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*congelamento da água: 100°C
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*ebulição da água: 0°C
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Anders Celsius era Astrônomo, físico e professor sueco.

1744: Linnaeus inverteu a escala
1744: Linnaeus inverteu a escala


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pontos: fusão do gelo, ebulição da água
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 ===
=== Temperatura absoluta ===
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1874: formalmente enuncia a 2ª Lei da Termodinâmica
1874: formalmente enuncia a 2ª Lei da Termodinâmica



== Entropia ==
== Entropia ==

Revisão das 20h50min de 27 de abril de 2008


Energia

O conceito de energia

“Conceito de ‘energia’ não é primitivo

Estudantes vêm com concepções espontâneas sobre energia:

  • ou vêm como tabula rasa e adquirem-nos dos livros
  • ou vêm com jargão adquirido na escola, sem entendimento profundo do que é ou de onde veio” (ARONS, 1989)

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 (GLIOZZI, 1976)


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." [1]

"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." [2]

"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." [3]


‘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." [4]


"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." [5]


Situações quotidianas

  • 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." [6]


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." [7] Formação do conceito de energia

"‘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" [8]


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" [9]

ou seja, é um Princípio, não um Teorema ou uma Lei.

"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." [10]

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

Termodinâmica

Termodinâmica e Mecânica

Mecânica: conversões de energia potencial em cinética e vice-versa

Termodinâmica: variações da energia interna


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

Benjamin Thompson (Conde de Rumford) (1753 - 1814)

Dados Biográficos

cientista anglo-americano

foi aprendiz de comerciante em Salem, onde adquiriu o interesse pela Ciência

1772: casou-se com rica herdeira Sarah Rolfe. Com sua influência, tornou-se major da Milícia de New Hampshire

Guerra Civil: legalista, foge p/ Inglaterra

1804: casa-se com Marie-Anne Lavoisier


Contribuições

1798: mede o calor gerado pela perfuração de canhões e desenvolve a idéia 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


Sir John Leslie (1766 - 1832)

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


Julius Robert von Mayer (1814-1878)

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


Joule (1818-1889)

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)


Thomas Newcomen (1663-1729)

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


James Watt (1736 – 1819)

Dados Biográficos

engenheiro e inventor escocês

pai era construtor de navios

mãe teve muito boa educação

presbiterianos

estudou com a mãe em casa


Contribuição

quis ser instrumentador mas faltava-lhe o aprendizado para a Guilda

professores permitiram-lhe abrir oficina na Universidade

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)

Manufatura

artesão possui os meios de produção (oficina e ferramentas)

trabalha com a família em sua própria casa

realiza todas as etapas, desde o preparo da matéria-prima, até o acabamento final

não há divisão do trabalho ou especialização

admitiam-se ajudantes ou aprendizes (Guildas)


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)

especialização e divisão do trabalho

democratização da educação

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


Romantismo

contraposição ao Classicismo

abandono dos temas clássicos

ênfase em mulheres e crianças

respeito por uma Natureza selvagem e “pura”

sintonia c/ momento histórico

temas:

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

principais artistas

  • Delacroix
  • Géricault
  • Goya


Le Radeau de la Méduse, Géricault

La Liberté guidant le peuple, Delacroix

El Tres de Mayo de 1808, Goya

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)


= A escala Réamur

1731: Réamur simplifica a escala de Fahrenheit

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

René Antonie Ferchault, senhor de Réaumur(1683 - 1757),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 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

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

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

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


A 2ª Lei da Termodinâmica

numa máquina térmica, não é possível transformar todo o calor em trabalho; é inevitável desperdiçar algum calor.

Clausius

1854: estabelece a importância do termo dQ/T mas sem denominar a quantidade

1865: introduz o conceito de entropia


Gibbs

1876: Josiah Willard Gibbs 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


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

Referências

  1. HICKS, 1983
  2. TRUMPER, 1990
  3. LEHRMAN, 1973
  4. BENYON, 1990
  5. McCLELLAND, 1989
  6. IPN, 1978
  7. TRUMPER, 1990
  8. DUITT, 1981
  9. ARONS, 1989
  10. SOLOMON, 1985

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)