A Termodinâmica e a Revolução Industrial

Para muitos, o estudo da Revolução Industrial fica restrito as disciplinas de história ou geografia. Foi neste época, com o desenvolvimento das máquinas à vapor e seu entendimento, que surgiu o estudo da Termodinânica. Esta ciência está fortemente ligada ao desenvolvimento da mecânica clássica e quântica, do eletromagnetismo e da cinética química. 

Charles Chaplin: cena do filme Tempos Modernos

 Na área de Engenharia, principalmente a Engenharia Mecânica, a Termodinâmica é essencialmente importante, pois o desenvolvimento de motores à vapor, motores a combustão e até mesmo a geração de eletricidade mais eficientes dependem deste conhecimento.

Pode-se dizer que a termodinâmica sugiu no ano de 1650 com o desenvolvimento da primeira bomba à vácuo. Seu desenvolvedor, o alemão Otto Von Guerickle, um engenheiro, militar, político e diplomata que defendia a existência do vácuo. Sabendo dessa proeza, anos depois Robert Boyle e Robert Hook constroem uma bomba de ar. Foi com essa bomba que Robert Boyle estabeleceu a relação de que PV = constante, já discutido em outro post. Uma coisa curiosa, é que antes de Boyle formular sua Lei, um associado dele, Denis Papin construiu um digestor ósseo (marmita de Papin) , sendo este, um recipiente fechado com uma tampa hermética que libera o vapor quando uma alta pressão é alcançada. Projetos posteriores incorporaram uma válvula de liberação de vapor, evitando assim, a explosão do reservatório.  Poderiam perguntar: igual a uma panela de pressão!!? Exatamente!! Uma outra revolução na cozinha moderna é a panela de pressão que diminui o tempo de cozimento dos alimentos. 

Papin, ao observar o ritmo frenético da válvula subindo e descendo já imaginou um motor a pistão e cilindro, igual aos dos automóveis a combustão. Por não ter insistido em seu invento, Thomas Savery construiu o primeiro motor, um tanto quanto ineficientes, mas chamando a atenção de Sadi Carnot.

Máquina de bombear água de Newcoman

Já a máquina a vapor, criada por Thomas Newcomen, um Inventor, ferreiro e mecânico inglês nascido em Dartmouth, Devon, England, que a partir do aperfeiçoamento do modelo de Thomas Savery, de quem era sócio, criou (1712) uma nova máquina a vapor para drenagem de minas, denominada de pistão de Newcomen. Essa máquina possuía uma viga horizontal à semelhança de uma gangorra, da qual pendiam dois êmbolos, um em cada extremidade. Um êmbolo permanecia no interior de um cilindro e quando o vapor penetrava no cilindro, forçava o êmbolo para cima e acarretava a decida de outra extremidade. Borrifava-se água fria no cilindro, o vapor se condensava e o vácuo sugava o êmbolo de novo para baixo. Isto elevava o outro extremo da viga, que se ligava ao êmbolo de uma bomba na mina. Assim fez combinar o pistão como um meio de aproveitar tanto a expansão do vapor, na subida, com o vácuo repentino devido à condensação do vapor, na descida. 

Este seu invento foi um marco na Revolução Industrial e serviu de base histórica para a mecanização de toda a indústria. Com sua engenhosidade criou uma máquina a vapor como um engenho prático, suficientemente poderoso para garantir muitas minas inglesas contra inundações. Durante cinqüenta anos que se seguiram, sua máquina foi usada para bombeamento, sempre que não havia energia hidráulica à disposição. Porém sua principal inviabilização para outros propósitos era seu grande consumo de combustível. 

Com seu assistente bombeiro John Cawley, tornaram-se os precursores da máquina a vapor, ao pesquisarem sobre o assunto por mais de dez anos. Ambos desenvolveram um novo conceito: o uso de um conjunto cilindro-pistão para o bombeamento de água, constituindo a primeira máquina térmica, pois seu funcionamento era cíclico. Morreu em Londres deixando a idéia básica para os trabalhos do engenheiro civil John Smeaton (1724-1792), de James Watt (1736-1819), mecânico escocês que aperfeiçoou o modelo de Newcomen (1765). Um inglês, George Stephenson (1781-1848), revolucionou os transportes com a invenção da locomotiva a vapor (1814).

Fontes:

• http://www.dec.ufcg.edu.br/biografias/ThomaNew.html
• http://polemicascmm.blogspot.com.br/2012/08/termodinamica-e-revolucao-industrial.html
• http://pt.wikipedia.org/wiki/Hist%C3%B3ria_da_termodin%C3%A2mica

James Joule

James Prescott Joule (1818 - 1889) foi um grande físico inglês de Salford, Lancashire, hoje na grande Manchester, descobridor da teoria mecânica do calor e da primeira lei da termodinâmica.

James Prescott Joule (1818-1889)

Filho de um rico produtor de cerveja, foi incentivado pelo pai a estudar ciência, chegando a montar um laboratório em sua casa. Sendo um auto didata, Joule aprendeu tudo sozinho e chegou a assumir a fábrica de cerveja após a aposentadoria de seu pai em 1833. Resolveu estudar na Universidade de Manchester (1835) com o célebre químico inglês John Dalton e depois realizar experimentos com gases.



Da relação corrente elétrica e calor produzido descobriu o que seria chamado efeito Joule descrito na obra On the Production of Heat by Voltaic Electricity (1840).

Iniciou, então, sua mais famosa experiência (1843) estudando o trabalho realizado por um gás quando se expandia e o calor gerado na compressão. Escreveu assim sua experiência para determinação do equivalente mecânico do calor (1847): constava de um aparelho com um peso regulado para controlar pás em um líquido cuja temperatura podia ser medida por um termômetro, registrando-se, assim, as mudanças causadas por determinada quantidade de trabalho.

Determinou as leis da termodinâmica e os princípios da transformação de energia (1849), determinando a quantidade de trabalho mecânico necessária para produzir uma unidade de calor. Estabeleceu então que as várias formas de energia, mecânica, elétrica e térmica, são basicamente a mesma e podem ser transformadas uma na outra.

Essa é a base da lei da conservação de energia, primeira lei da termodinâmica.

Morreu em Sale, Cheshire, e sua obra completa foi publicada sob o título de Scientific Papers (1885-1887).

Joule (J), unidade de medida de energia elétrica, mecânica e térmica no Sistema Internacional, igual ao trabalho realizado por uma força constante de um Newton, cujo ponto de aplicação se desloca da distância de um metro na direção da força; a energia transportada por segundo em um condutor percorrido por uma corrente elétrica invariável de um ampère, sob uma diferença de potencial constante igual a um volt(V).

Fonte: http://www.dec.ufcg.edu.br/biografias/JamePres.html

A Lei de Charles e o primeiro balão a Hidrogênio.

Jacques Alexandre César Charles (1746 - 1823), foi um físico, químico, matemático e inventor francês nascido em Beaugency, pioneiro do do uso do gás hidrogênio para encher balões aerostáticos, pois até então utilizava-se apenas ar quente. 

Jacques Alexandre Cesar Charles

Foi educado em matemática e ciências e, ainda jovem, mudou-se para Paris para trabalhar como funcionário público no ministério das finanças. Durante a passagem de Benjamin Franklin em Paris como embaixador dos United States of America (1779), impressionou-se com os experimentos científicos do estadunidense, e passou a se dedicar à física e logo começou a publicar no assunto (1781). 

Com o físico e aeronauta francês e seu irmão Nicolas Robert (1758-1820) como passageiro, foi o primeiro a usar hidrogênio e subir em balões enchidos com esse gás (1783), saindo do jardim das Tulherias e aterrissando nas proximidades de Gonesse e atingindo 1600 metros de altura. Entrou para a Académie des sciences (1785) e foi nomeado professor de física experimental do Conservatoire des Arts et Métiers. 

Formulou uma importante lei sobre a expansão térmica de gases (1787), uma lei física que afirma que um volume de gás a uma pressão constante varia diretamente com a temperatura absoluta. 

Esta reprodução de uma gravura colorida à mão retrata Jacques Alexandre Csar Charles partindo de Nesle, França, em 01 de dezembro, 1783 Charles tinha aterrisado em Nesle vindo de Paris, o primeiro vôo de balão de hidrogênio. No chão, à esquerda é Marie-Nel Robert, que acompanhou Charles no voo, tendo as declarações das testemunhas. Disponível em: http://vintagraph.com/products/globe-aerostatique.

Ele descobriu que todas as substâncias em estado gasoso obedecem a um mesmo principio: cada vez que sua temperatura é aumentada em 1 °C, todas elas sofrem um aumento de volume equivalente a 1/273 de seu volume a 0 °C. Isso o levou a concluir que, à temperatura de -273 °C, o volume de qualquer gás se anularia. Porém não publicou sua teoria que só foi dada a conhecer cinco anos depois (1802) por Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850). 

Assim, a lei física que afirma que o volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta, quando a pressão é mantida constante, é conhecida tanto por lei de Gay-Lussac quanto por lei de Charles. A temperatura -273 °C é a mais baixa que um corpo pode atingir e que mais tarde seria denominada zero absoluto pelo inglês William Thomson, o famoso Lord Kelvin (1824-1907). 

Gay-Lussac também desenvolveu experimentos com eletricidade, tornou-se presidente do setor de experimental da Académie (1816) vindo a morrer em Paris.

A Lei de Boyle e o sutiã inflável

Robert Boyle: 1627-1691

Robert Boyle nasceu na Grã-Bretanha no ano de 1627 e foi mandado para Eton para estudar. Uma noite, quando estava ao ar livre observando uma espetacular demonstração de raios, começou a perguntar por que não tinha sido atingido. De forma pouco científica, concluiu que Deus o havia escolhido a se dedicar a demonstrar a Sua glória revelando os segredos da natureza.

Boyle tornou-se interessado em um experimento que tinha sido feito na Alemanha por Otto von Guericke. No início do sec. XVII, Von Guericke havia fervido o conteúdo de uma tigela hemisférica de cobre cheia de água. Depois colocou uma segunda tigela sobre a primeira, só deixando espaço para o vapor escapar. Depois que a fonte de calor foi removida, Von Guericke descobriu que as tigelas tinham ficado selada tão fortemente que duas parelhas de cavalo não conseguiram separá-las. O vapor havia tirado o ar, e quando o vapor dentro da esfera se condensou outra vez em líquido, criou-se um vácuo parcial. Os dois hemisférios estavam agora unidos pela pressão de ar externa.

Experimento de Von Guericke 

Fonte: http://cadernosdedaath.blogspot.com.br/2011/02/sobre-o-vazio-hoje-como-ontem.html.

O experimento clássico de Boyle era uma maravilha da simplicidade. Boyle pegou um tubo em forma de "J" selado no lado mais curto e começou a prender ar dentro dele, enchendo o tubo de mercúrio. Descobriu que o volume de ar preso variava de acordo com a quantidade de mercúrio que usava e formulou a lei estudada por todos os alunos de ensino médio e cursos superiores de química: o volume de um gás é inversamente proporcional à pressão exercida sobre ele.

Animação da Lei de Boyle

A lei de Boyle e a lenda do Sutiã Inflável

A lei de Boyle tem algumas conexões um tanto quanto incomum. A publicação do New England Journal of Medicine relata que uma turista apareceu na emergência de um hospital em Frisco, no Colorado, queixando-se de um ruído estranho em seus seios. Os raios-X logo revelaram a fonte do problema. Parece que a paciente tinha um implante salino de seio (basicamente uma bolsa plástica cheia de água salgada). Esses implantes, no entanto, não são completamente cheios de água e têm bolsões de ar. A senhora chegou à grande altitude do Colorado vinda do nível do mar, e, de acordo com a lei de Boyle, os bolsões de ar se expandiram pela menor pressão externa. A água dentro dos implantes agora tinha espaço para causar ruído.

Bem, essa é uma história verídica, ao contrário da lenda sobre a aeromoça que comprou um sutiã inflável que explodiu depois de levantarem voo. Embora esses apetrechos existam, a pequena mudança de volume graças a queda de pressão na cabine não é suficiente para causar efeito tão espetacular.

Fonte: 
SCHWARCZ, J. Barbie, Bambolês e Bolas de Bilhar: 67 deliciosos comentários sobre a fascinante química do dia-a-dia. Rio de Janeiro: Jorge Zahar ed. 2009. 

Os gases

A palavra “gás”foi usada pela primeira vez por meio do cientista Van Helmont (1577-1644), sendo que vem do grego chaos, isto é, “caos”, pois suas moléculas ou átomos se comportam de forma desordenada.

Apesar de não vermos a grande maioria dos gases, 
vemos os seus efeitos

Os gases são compostos moleculares ou na forma de átomos isolados (gases nobres) com características específicas, entre elas, podemos destacar que não apresentam um volume nem forma definidos, tendendo a ocupar o volume e ficar na forma do recipiente que os contém.  

O volume, a pressão e a temperatura são as grandezas fundamentais que devem ser levadas em consideração no estudo dos gases, sendo chamadas de variáveis de estado dos gases.

Esse estudo é realmente muito importante tanto do ponto de vista teórico quanto do prático. Por exemplo, foi por meio do entendimento do comportamento dos gases que as as reações químicas foram mais bem compreendidas. 

Além disso,  substâncias no estado gasoso estão por todas as partes, participando de processos importantes na manutenção da vida: o ar que respiramos é uma mistura gasosa composta principalmente dos gases nitrogênio e oxigênio; o gás oxigênio é usado em hospitais, siderurgias, maçaricos de cortar e soldar metais;  usamos os gases para cozinhar, para movimentar veículos, para encher balões e assim por diante.

Fonte: Jennifer Fogaça, Gases. Disponível em: http://www.brasilescola.com/quimica/gases-.htm. Acesso em 31/08/2014

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Prof. Norberto