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)