Primeiro bimestre de 2016.

Aula04 - A potência do fogo e a invenção das máquinas térmicas.

Ao longo de sua existência, os homens contaram apenas com a força dos seus músculos para realizar os trabalhos necessários à sua sobrevivència. Aos poucos, porém, foram inventados instrumentos que ampliavam e tornavam mais eficiente os esforços dos homens na luta do dia a dia.

Aprendemos a usar a força muscular dos animais para arar a terra. Dominamos a força dos ventos para transportar mercadorias pelos mares e rios. No entanto, foi apenas quando os homens aprenderam a dominar a força ou a potência do fogo que, verdadeiramente, teve início a nossa sociedade tecnológica atual.

Temos registros de dispositivos que usavam a força do vapor para a produção de movimento desde a antiguidade grega. São bastante conhecidos os dispositivos inventados por Heron, um físico e matemático grego que viveu em Alexandria, no Egito. Veja um desses dispositivos na imagem acima. Nele, a esfera oca ganha movimento giratório com a saída de vapor pelos tubos laterais.

No entanto, esses dispositivos acabaram por se tornar meras curiosidades, pois as condições sociais que propiciariam o uso intensivo das máquinas a vapor, isto é, máquinas que usavam a potência contida no fogo, surgiram somente muito mais tarde, na Europa do início da Idade Moderna.

O início da era das máquinas.

No período histórico chamado de "revolução industrial", na Inglaterra, nasce a necessidade de fontes de energia mais acessíveis e econômicas para as cidades e a para indústria nascente. Do mesmo modo, as necessidades de circulação mais rápida de mercadorias aumentam a demanda por meios de transportes mais rápidos.

Ao longo do tempo essas demandas são atendidas por invenções de máquinas que usam a potência do fogo para fornecer trabalho mecânico.

Veja, a seguir, alguns exemplos desse tipo de máquina.


A teoria do Calórico.

No processo de criação da tecnologia das máquinas térmicas a vapor a invenção veio antes da criação de uma teoria física que explicasse as capacidades que a água adquiria quando esquentava, isto é, quando ela se transformava em vapor. As primeiras teorias entendiam o calor como uma espécie de matéria.

Neste tempo o calor era entendido como sendo um fluido muito delicado que penetrava nos corpos e os aquecia. O "calor" era então algo material. De inicio pensava-se que existia um fluido para o "calor" e outro para o "frio". Um pouco mais tarde esse fluido recebeu o nome de "calórico". O frio, neste caso, era pensado como ausência do calórico.

A "teoria do calórico" foi uma teoria de muito sucesso e com ela o entendimento dos fenômenos térnicos avançou. Mesmo hoje, é bastante comum os alunos, ao iniciarem os estudos sobre essa matéria, pensarem no calor (e o frio) como uma espécie de fluido que penetra os corpos. A própria linguagem favorece esse engano. Estamos sempre a falar de "receber" calor, de "transferir" calor como se ele fosse algum tipo de matéria.

Claro, a teoria atual sobre o tema não entende o calor como matéria, mas como "energia em trânsito". Desse tempo guardamos ainda a unidade física usada para medir o calor, a caloria, que não faz parte do SI, mas é muito usada em Biologia.



Os conceitos modernos sobre os fenômenos térnicos - A Energia Interna.

A teoria moderna do calor estabeleceu-se na física somente depois que a ideia de que toda matéria é formada por átomos foi amplamente aceita entre os físicos.

Hoje sabemos também que os átomos de um corpo estão sempre em movimento. Ora vibrando nas suas posições dentro da rede atômica, ora num movimento de rotação ou translação. No entanto, aprendemos nas aulas do primeiro ano que movimento é energia. A soma dessa energia de movimento dos átomos de um corpo é chamada de "Energia Interna" daquele corpo. A energia interna é frequentemente representada em Física pela letra "U".

Veja a animação abaixo. Clique no botão ">" para inicia-la. Esta é uma representação muito comum dos átomos de um gás. Os átomos, ou moléculas, são representados pelas bolinhas de cor azul e verde. Note que eles estão sempre em movimento.



Nos gases reais, nos líquidos e nos sólidos existe uma interação entre as moléculas do material. Isto dá origem a uma energia potencial que deve ser contada também como "Energia Interna".

No entanto, é necessário observar o seguinte:

Existe ainda uma energia muito intensa armazenada no núcleo de cada átomo. Este tipo de energia é chamado de "energia nuclear" e esta energia não é contada como Energia Interna.

Do mesmo modo, não é contado como Energia Interna a energia cinética do movimento do material como um todo, de um lugar para outro. Este tipo de energia nós estudamos como energia cinética do corpo.

Além disto, a Energia Interna depende apenas do estado físico do sistema, isto é, da porção de matéria considerada.

Assim, entendemos Energia Interna como:


Se esse movimento aleatório dos átomos é intenso então a "energia interna" é alta. Se tocarmos o objeto a sensação física é de "quente". Se o movimento é menos intenso então a "energia interna" é menor e a sensação ao toque é de "frio". No entanto, as sensações biológicas de "quente" e "frio" não são adequadas para a ciência, pois são muito imprecisas. Tornou-se necessário inventar uma nova grandeza que fizesse esse papel.

Um vez entendido que os fenômenos térmicos estão ligados à energia de movimento das moléculas e átomos e que eles não são, como se pensava, algum tipo de fluido material, podemos estudar os conceitos iniciais da termodinâmica: A Temperatura e o calor.

Isto, no entanto, é assunto para a próxima aula.




   
   
  
   
   
   
   
   
   

Material complementar ao assunto tratado nesta aula.