Tópicos da História da Física Clássica - Calor
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Tópicos da História da Física Clássica - Calor
Tópicos da História da Física Clássica Calor Victor O. Rivelles Instituto de Física da Universidade de São Paulo Edifício Principal, Ala Central, sala 314 e-mail: [email protected] http://www.fma.if.usp.br/~rivelles Calor Os gregos explicavam a diferença de temperatura entre os corpos através da presença de uma substância não diretamente perceptível que se difundia entre os corpos e provavelmente possuia algum peso. O calor é um fluído. Calor Os gregos explicavam a diferença de temperatura entre os corpos através da presença de uma substância não diretamente perceptível que se difundia entre os corpos e provavelmente possuia algum peso. O calor é um fluído. Explica o equilibrio de temperaturas entre corpos que estão em contacto. Calor Os gregos explicavam a diferença de temperatura entre os corpos através da presença de uma substância não diretamente perceptível que se difundia entre os corpos e provavelmente possuia algum peso. O calor é um fluído. Explica o equilibrio de temperaturas entre corpos que estão em contacto. Lei da conservação do calor: ∆QA + ∆QB = 0, análogo à lei da conservação da matéria. Calor Os gregos explicavam a diferença de temperatura entre os corpos através da presença de uma substância não diretamente perceptível que se difundia entre os corpos e provavelmente possuia algum peso. O calor é um fluído. Explica o equilibrio de temperaturas entre corpos que estão em contacto. Lei da conservação do calor: ∆QA + ∆QB = 0, análogo à lei da conservação da matéria. Lavoiser em 1787 batiza o fluído de calor de calórico. 1 2 3 As partículas do calórico são atraídas pela matéria comum. Mas se repelem entre si! Explica a difusão do calor nos corpos, a dilatação e as mudanças de estado. Calor Os gregos explicavam a diferença de temperatura entre os corpos através da presença de uma substância não diretamente perceptível que se difundia entre os corpos e provavelmente possuia algum peso. O calor é um fluído. Explica o equilibrio de temperaturas entre corpos que estão em contacto. Lei da conservação do calor: ∆QA + ∆QB = 0, análogo à lei da conservação da matéria. Lavoiser em 1787 batiza o fluído de calor de calórico. 1 2 3 As partículas do calórico são atraídas pela matéria comum. Mas se repelem entre si! Explica a difusão do calor nos corpos, a dilatação e as mudanças de estado. Problema: o calórico não tem peso! Benjamin Thompson (Conde de Rumford), fez uma série de experiências e conclui em 1799 que o calórico não tinha peso. Rumford Muitos não achavam que isso era um problema. Um conceito, como o calórico, deve: 1 2 Ser passível de ser definido, sem contradições internas ou ambiguidades, em termos de efeitos observáveis e mensuráveis, sejam diretos ou indiretos. Ser útil na descrição de vários fenômenos conhecidos, assim como para fenômenos novos. Rumford Muitos não achavam que isso era um problema. Um conceito, como o calórico, deve: 1 2 Ser passível de ser definido, sem contradições internas ou ambiguidades, em termos de efeitos observáveis e mensuráveis, sejam diretos ou indiretos. Ser útil na descrição de vários fenômenos conhecidos, assim como para fenômenos novos. Experiência do Conde de Rumford em 1798: Estou convencido de que o hábito de manter os olhos abertos à tudo o que acontece na vida ordinária tem frequentemente levado – como se fosse por acidente ou, deixando imaginação à solta, colocado em ação pela contemplação dos acontecimentos mais casuais – dúvidas e formas de investigação lógicas e úteis muito melhores do que a meditação mais intensa dos filósofos nas horas especialmente dedicadas ao estudo. Foi por acidente que eu fui levado a fazer o experimento acerca do qual reportarei ... Rumford Estando recentemente engajado na supervisão da furagem de canhões nas oficinas do arsenal militar de Munique, fiquei surpreendido pelo considerável grau de calor (temperatura) que uma arma de bronze adquire num pequeno intervalo de tempo ao ser perfurada, e com o grau de temperatura ainda maior (muito maior do que o ponto de ebulição da água, como eu determinei por experimento) das lascas metálicas separadas dela pelo perfurador. Rumford Estando recentemente engajado na supervisão da furagem de canhões nas oficinas do arsenal militar de Munique, fiquei surpreendido pelo considerável grau de calor (temperatura) que uma arma de bronze adquire num pequeno intervalo de tempo ao ser perfurada, e com o grau de temperatura ainda maior (muito maior do que o ponto de ebulição da água, como eu determinei por experimento) das lascas metálicas separadas dela pelo perfurador. Rumford notou: A perfuração do metal libera o fluído calórico como esperado, mas a capacidade calorífica das lascas continuava a mesma, quando deveria ter diminuída. Rumford Mais importante: ... nestes experimentos o calor gerado parece ser inesgotável. É desnecessário dizer que qualquer coisa que um corpo isolado, ou um sistema de corpos, possa continuar a fornecer sem limites, não pode possivelmente ser uma substância material, e parece-me extremamente difícil, para não dizer impossível, formar uma ideia clara de qualquer coisa que seja capaz de ser excitado ou comunicado da maneira que o calor foi excitado e comunicado nos experimentos, exceto pelo movimento. Rumford Mais importante: ... nestes experimentos o calor gerado parece ser inesgotável. É desnecessário dizer que qualquer coisa que um corpo isolado, ou um sistema de corpos, possa continuar a fornecer sem limites, não pode possivelmente ser uma substância material, e parece-me extremamente difícil, para não dizer impossível, formar uma ideia clara de qualquer coisa que seja capaz de ser excitado ou comunicado da maneira que o calor foi excitado e comunicado nos experimentos, exceto pelo movimento. E reafirma aquelas ... doutrinas antigas que repousam na suposição de que o calor nada mais é que um movimento vibratório acontecendo nas partículas do corpo. Rumford Mais importante: ... nestes experimentos o calor gerado parece ser inesgotável. É desnecessário dizer que qualquer coisa que um corpo isolado, ou um sistema de corpos, possa continuar a fornecer sem limites, não pode possivelmente ser uma substância material, e parece-me extremamente difícil, para não dizer impossível, formar uma ideia clara de qualquer coisa que seja capaz de ser excitado ou comunicado da maneira que o calor foi excitado e comunicado nos experimentos, exceto pelo movimento. E reafirma aquelas ... doutrinas antigas que repousam na suposição de que o calor nada mais é que um movimento vibratório acontecendo nas partículas do corpo. No ano seguinte Humpry Davy esfregando dois pedaços de gelo até que se derretessem afirma: ... foi experimentalmente demonstrado que o calórico, ou a matéria do calor, não existe. Calor e Energia Apesar destas e outras experiências contra o conceito do calórico, a idéia permaneceu viva por muito tempo simplesmente porque não havia outra teoria para substituí-la. Ela era prática e plausível! Calor e Energia Apesar destas e outras experiências contra o conceito do calórico, a idéia permaneceu viva por muito tempo simplesmente porque não havia outra teoria para substituí-la. Ela era prática e plausível! Outras contribuições apontavam para uma relação entre calor e outras formas de energia. A conversão de energia cinética em calor é óbvia mas a geração de energia através do calor é menos evidente. Mesmo após a invenção da máquina à vapor! Essa situação perdurou até cerca de 1850. Conservação da Energia Julius Mayer Julius Robert Mayer propôs em 1842 uma lei de conservação de todas as formas de energia de maneira pouco convencional. Conservação da Energia Julius Mayer Julius Robert Mayer propôs em 1842 uma lei de conservação de todas as formas de energia de maneira pouco convencional. Energias são causas: assim, podemos aplicar o princípio – causa aequat effectum. Se a causa c tem efeito e, então e = c; ... Numa cadeia de causas e efeitos, um termo ou uma parte de um termo, nunca pode, devido à natureza da equação, tornar-se igual a nada. Conservação da Energia Esta primeira propriedade de todas as causas pode ser chamada sua indestrutibilidade... Se após a produção do efeito e, a causa c ainda permanecer em todo ou em parte, ainda deve existir efeitos adicionais f, g, ... correspondentes às causas remanescentes. Assim sendo, uma vez que c torna-se e, e e torna-se f, etc. devemos considerar essas várias quantidades como formas diferentes sob as quais uma e a mesma entidade podem aparecer. Essa capacidade de assumir várias formas é a segunda propriedade essencial de todas as causas. Levando em conta ambas as propriedades juntas, podemos dizer, as causas são entidades quantitativamente indestrutíveis e qualitativamente conversíveis... Conservação da Energia Esta primeira propriedade de todas as causas pode ser chamada sua indestrutibilidade... Se após a produção do efeito e, a causa c ainda permanecer em todo ou em parte, ainda deve existir efeitos adicionais f, g, ... correspondentes às causas remanescentes. Assim sendo, uma vez que c torna-se e, e e torna-se f, etc. devemos considerar essas várias quantidades como formas diferentes sob as quais uma e a mesma entidade podem aparecer. Essa capacidade de assumir várias formas é a segunda propriedade essencial de todas as causas. Levando em conta ambas as propriedades juntas, podemos dizer, as causas são entidades quantitativamente indestrutíveis e qualitativamente conversíveis... As energias são portanto entidades indestrutíveis e conversíveis. Conservação da Energia Em inúmeros casos vemos o movimento cessar sem ter causado outro movimento ou o levantamento de um peso; mas a energia uma vez em existência não pode ser aniquilada, ela só pode mudar sua forma; e portanto levanta a questão: que outras formas tem a energia, além da que estamos acostumados como energia potencial e energia cinética? Só a experiência pode nos levar a uma conclusão. Conservação da Energia Em inúmeros casos vemos o movimento cessar sem ter causado outro movimento ou o levantamento de um peso; mas a energia uma vez em existência não pode ser aniquilada, ela só pode mudar sua forma; e portanto levanta a questão: que outras formas tem a energia, além da que estamos acostumados como energia potencial e energia cinética? Só a experiência pode nos levar a uma conclusão. Ele conclui que se calor é gerado pela fricção de dois corpos, o calor deve ser portanto equivalente à movimento. Conservação da Energia Em inúmeros casos vemos o movimento cessar sem ter causado outro movimento ou o levantamento de um peso; mas a energia uma vez em existência não pode ser aniquilada, ela só pode mudar sua forma; e portanto levanta a questão: que outras formas tem a energia, além da que estamos acostumados como energia potencial e energia cinética? Só a experiência pode nos levar a uma conclusão. Ele conclui que se calor é gerado pela fricção de dois corpos, o calor deve ser portanto equivalente à movimento. E coloca o ponto principal: Quão grande deve ser a quantidade de calor correspondente a uma dada quantidade de energia cinética ou energia potencial? Conservação da Energia Em inúmeros casos vemos o movimento cessar sem ter causado outro movimento ou o levantamento de um peso; mas a energia uma vez em existência não pode ser aniquilada, ela só pode mudar sua forma; e portanto levanta a questão: que outras formas tem a energia, além da que estamos acostumados como energia potencial e energia cinética? Só a experiência pode nos levar a uma conclusão. Ele conclui que se calor é gerado pela fricção de dois corpos, o calor deve ser portanto equivalente à movimento. E coloca o ponto principal: Quão grande deve ser a quantidade de calor correspondente a uma dada quantidade de energia cinética ou energia potencial? 1 caloria é o calor necessário para elevar a temperatura de 1 g de água de 1o C. Equivalente Mecânico do Calor Calor específico de sólidos e gases. Para gases depende de se medido à volume constante ou pressão constante: cp > cv . Equivalente Mecânico do Calor Calor específico de sólidos e gases. Para gases depende de se medido à volume constante ou pressão constante: cp > cv . Gay-Lussac em 1807 mostrou que um gas ao se expandir livremente num recepiente vazio não muda de temperatura. Equivalente Mecânico do Calor Calor específico de sólidos e gases. Para gases depende de se medido à volume constante ou pressão constante: cp > cv . Gay-Lussac em 1807 mostrou que um gas ao se expandir livremente num recepiente vazio não muda de temperatura. Mayer usou esse fato para apoiar seu argumento que o calor realmente desaparece quando há aquecimento. De acordo com a teoria do calórico quando um gas se expande sua temperatura diminui porque o calórico ocupa um volume maior mas a quantidade de calórico permanece a mesma. Mayer apontou o fato de que a temperatura diminuiu só quando o gas produz trabalho mecânico empurrando um pistão quando se expande. Se nenhum trabalho é feito a temperatura permanece a mesma. Equivalente Mecânico do Calor Calor específico de sólidos e gases. Para gases depende de se medido à volume constante ou pressão constante: cp > cv . Gay-Lussac em 1807 mostrou que um gas ao se expandir livremente num recepiente vazio não muda de temperatura. Mayer usou esse fato para apoiar seu argumento que o calor realmente desaparece quando há aquecimento. De acordo com a teoria do calórico quando um gas se expande sua temperatura diminui porque o calórico ocupa um volume maior mas a quantidade de calórico permanece a mesma. Mayer apontou o fato de que a temperatura diminuiu só quando o gas produz trabalho mecânico empurrando um pistão quando se expande. Se nenhum trabalho é feito a temperatura permanece a mesma. Em 1842, usando os calores específicos do ar Mayer calculou que 1 caloria é equivalente a cerca de 4 Joules. Equivalente Mecânico do Calor Calor específico de sólidos e gases. Para gases depende de se medido à volume constante ou pressão constante: cp > cv . Gay-Lussac em 1807 mostrou que um gas ao se expandir livremente num recepiente vazio não muda de temperatura. Mayer usou esse fato para apoiar seu argumento que o calor realmente desaparece quando há aquecimento. De acordo com a teoria do calórico quando um gas se expande sua temperatura diminui porque o calórico ocupa um volume maior mas a quantidade de calórico permanece a mesma. Mayer apontou o fato de que a temperatura diminuiu só quando o gas produz trabalho mecânico empurrando um pistão quando se expande. Se nenhum trabalho é feito a temperatura permanece a mesma. Em 1842, usando os calores específicos do ar Mayer calculou que 1 caloria é equivalente a cerca de 4 Joules. Pouca gente deu atenção ao trabalho de Mayer. Joule James Prescott Joule em 1843 comparou o trabalho mecânico necessário para operar um gerador elétrico e o calor produzido pela corrente assim gerada: J = 4.51 Joules/cal. Joule James Prescott Joule em 1843 comparou o trabalho mecânico necessário para operar um gerador elétrico e o calor produzido pela corrente assim gerada: J = 4.51 Joules/cal. Ainda em 1843 Joule mediu a relação entre o calor da fricção da água fluindo através de canos finos e o trabalho necessário para produzir o fluxo e obteve J = 4.14 J/cal. Joule James Prescott Joule em 1843 comparou o trabalho mecânico necessário para operar um gerador elétrico e o calor produzido pela corrente assim gerada: J = 4.51 Joules/cal. Ainda em 1843 Joule mediu a relação entre o calor da fricção da água fluindo através de canos finos e o trabalho necessário para produzir o fluxo e obteve J = 4.14 J/cal. Em 1844 fez sua célebre experiência repetida várias vezes mais tarde chegando ao valor de J = 4.184 J/cal. Joule Apesar de seu suporte à lei da conservação da energia, seu trabalho só ganhou notoriedade à medida que o calor era compreendido como sendo devido à energia cinética das moléculas do corpo. Joule Apesar de seu suporte à lei da conservação da energia, seu trabalho só ganhou notoriedade à medida que o calor era compreendido como sendo devido à energia cinética das moléculas do corpo. Outras formas de energia foram sendo incorporadas: eletricidade, magnetismo, química, ... mostrando que Mayer estava correto. Biobliografia G. Holton, Introduction to Concepts and Theories in Physical Science (Princeton, 1985)
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