A termodinâmica nasceu no século XIX, como resultado das preocupações relativas ao aperfeiçoamento das primeiras maquinas a vapor, dos laços entre os fenómenos mecânicos e os térmicos assim como da evolução da calorimetria. ela e a área das ciências físicas que estabelece uma estreita ligação entre a ciência e a sociedade e cujos primeiros passos do seu desenvolvimento tiveram como factores impulsionadores os problemas da sociedade e não propriamente os problemas físicos.
As pré-contribuições:
Galileu Galilei
Supõe-se que a temperatura seja provavelmente primeiro conceito termodinâmico a ser discutido. No final do século XVI O astrónomo italiano Galileu Galilei (1564 – 1642) foi um dos primeiros a construir um termómetro rudimentar, o termoscópio, em 1593, em Florença ao qual se seguiram variam inventos com mesma finalidade. Este termómetro registava mudanças de temperatura pela elevação e queda das bolas de vidro no interior de tubos com água. Na época acreditava-se que a temperatura fosse uma potencia motriz que provoca a transmissão de um certo fluido de um corpo quente para outro mais frio. Mas não se sabia explicar ainda o que era transmitido entre os corpos.
James Watt
Nasceu na Inglaterra, trabalhou com maquinas a vapor e viveu entre (1736 – 1819). Reconhece a relação ente a área compreendida numa curva P-V e o trabalho produzido pela máquina térmica. Fez importantes aperfeiçoamentos nas máquinas a vapor, a ponto de estimular a Revolução Industrial.
Joseph Black
Em 1770 porem, o químico Joseph Black, da universidade de Glasglow, no estudo da fusão do gelo descobre a noção de calor latente. Ele fez a distinção entre temperatura e calor. Diferenciou de maneira clara, misturando massas iguais de líquidos diferentes temperaturas, ele mostrou que a variação da temperatura eu cada uma das substancias misturadas não é igual em termos quantitativos. Black achava que a capacidade térmica era a quantidade de calor que uma substância pode reter. Mas, na realidade, trata-se da quantidade de energia necessária para se elevar a temperatura de uma substância até um dado valor. Black fundou a ciência da calorimetria, que levou à enunciação da teoria segundo a qual o calor é um fluido invisível chamado calórico. Um objecto se aquecia quando recebia calórico e se esfriava quando o perdia.
Daniel Gabriel Fahrenheit
Foi um físico Holandês nascido na Polónia e viveu entre (1686-1736), que se destacou pela criação de diversos instrumentos científicos é comummente conhecido pela invenção do termómetro de álcool em (1709), termómetro de mercúrio 1714 e de desenvolvimento da escala de temperatura fahrenheit, a escala que ainda utilizado dos estados unidos. O seu termómetro por ele inventado contém dois pontos de referencias e o emprego de mercúrio como liquido termométrico.
Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (1770-1831) estudou os efeitos do calor sobre condutores. Num circuito formado por duas tiras de metal, Seebeck aqueceu uma das extremidades da junção, observando o movimento de uma bússola entre as tiras. A corrente eléctrica é gerada quando as junções estão com temperaturas diferentes, e o campo magnético produzido pela corrente desvia a agulha da bússola.
O estudo da termodinâmica se baseia em leis que foram estabelecidas experimentalmente:
Lei zeroda termodinâmica
Diz que quando dois corpos possuem temperaturas iguais em relação a um terceiro, diz-se que ele tem igualdade de temperatura entre si.
Primeira lei da termodinâmica
Ela estabelece que “num sistema isolado a energia interna permanece constante. Ela fornece um aspecto quantitativo da conservação da energia. Lembrando que a conservação da energia diz que na natureza nada se perde nada se cria, tudo se transforma.
Nicolas Léonard Sadi Carnot
Físico francês, Sadi Carnot (1796-1832), considerado o pai da termodinâmica, engenheiro militar, nasceu em Paris. Em 1824, tornou-se o primeiro pesquisador a preocupar-se com características básicas das máquinas térmicas e a estudar o problema de seu rendimento. Publicou sua famosa tese “Reflexões sobre a potencia motriz do fogo e sobre as maquinas preparadas para desenvolver essa potencia”. Nessa obra escreveu a seguinte frase: ninguém ignora que o calor pode ser a causa do movimento, e estabeleceu as características ideais de uma máquina térmica, que funciona num ciclo térmico, conhecido com ciclo de Carnot. O ciclo de Carnot, que é reversível, desenvolve-se em quatro fases, duas isotérmicas à temperatura constante e duas adiabáticas, sem trocar de calor com o ambiente.
A contribuição de Carnot à solução do problema, embora teórica foi de importância fundamental, pois demonstrou as características realmente significativas do funcionamento das máquinas térmicas, ou seja:
- que a maquinas recebe de uma fonte qualquer certa quantidade de calor a temperatura elevada;
- que ela executa um trabalho externo;
- que rejeita calor a temperatura mais baixa do que a correspondente ao calor recebido. Apesar de fundamentar suas teorias na noção de que o calor é um fluido imponderável, o calórico, Carnot encontrou a expressão correcta do rendimento máximo que se pode obter com uma máquina térmica qualquer, operando entre duas fontes de temperaturas diferentes. Acredita na criação de energia mecânica por simples transporte de calórico.
1824 – Sadi Carnot: experiências com motor a vapor (a fonte de calor, a água e o vapor, e o condensador como recipiente de calor). Introduz o conceito de ciclo e estudou a transformação de calor em trabalho
1834 – Através Das máquinas térmicas de Carnot Clapeyron fornece o formalismo matemático e geométrico da teoria.
Antoine Laurent Lavoisier.
Químico Francês, Antoine Laurent Lavoisier que viveu na era 1743-1794, em 1789 introduz na tabela de substancias simples (elementos químicos) o calórico e a luz e o dono da teoria do calórico. Lavoisier considerava o calor como um fluido elástico, indestrutível e imponderável, dá-lhe o nome de calórico. Um corpo mais quente tinha mais calórico do que um mais frio e os fenómenos térmicos explicavam-se por trocas de calóricos entre os corpos. E pela sua descoberta passou a se chamar de teoria do calórico.
Em 1783 Lavoisier e Laplace, numa comunicação à Academia das Ciências de Paris, deram ao calor específico o seu conceito actual. Construção do primeiro calorímetro (1789)
Visão em corte de um calorímetro de gelo dos cientistas Lavoisier (1743- 1794) e Laplace (1749-1827). Com este aparelho mede-se a quantidade de calor liberado por um objecto quente à medida que ele esfria. O objecto esfria até o ponto em que para de derreter o gelo, adquirindo a mesma temperatura deste. A água derretida é escoada pelo fundo do calorímetro. O peso dela determina a capacidade térmica do objecto.
Benjamin Thompson, Conde Rumford (1753 – 1814)
Em 1798 Benjamin Thompson (conde Rumford): observa a produção de calor na perfuração dos canos para canhões (calor gerado pela fricção). Suas experiências forneceram um argumento contra a hipótese do calórico.
Um dos deveres de Rumford, como director do Arsenal, era supervisionar a boca dos canhões. Ao observar a perfuração de canos de canhões numa fábrica de armas em Munique, percebeu que enormes quantidades de calor eram geradas por atrito entre os reordenadores e os canos metálicos das armas. Era necessário mergulhar a peça num tanque com água, a qual aquecia a ponto de ferver.
Este comportamento não podia ser explicado pela teoria do calórico. Se o calor constituísse um fluido, seria consumido muito depressa, mais o calor gerado pelo atrito continuava a ser liberado enquanto os canos estavam sendo perfurados. Na década de 1790, Rumford concluiu que o calor devia ser uma forma de movimento e que o aquecimento era produzido pela broca, o que significava que o calor poderia ser produzido pelo trabalho, o que desmentia eficazmente a teoria de calor.
Julius Robert Mayer
Julius Robert Mayer foi um físico e médico alemão (1814 – 1878). Na década de 1842 propõe que a energia de um sistema fechado é constante: Principio da conservação da energia. Estabelece da maneira clara a 1ª lei da termodinâmica, onde o calor e trabalho são mutuamente interconversíveis. No seu percurso já em 1844, deduziu a lei de equivalência do calor e do trabalho, segundo a qual, num ciclo produtor de trabalho, o calor rejeitado em uma quantidade proporcional ao trabalho e calculou o valor da constante de proporcionalidade e em 1845 fornece um valor ao equivalente mecânico da unidade de calor.
RudolfJulius Emanuel Clausius
Físico Alemão, RudolfJulius Emanuel Clausius (1822 – 1888), apresentou ideias que tiveram influência na formulação da 1ª lei da termodinâmica e também na 2ª lei da termodinâmica.
Entre 1850 – 1865 Rudolf Clausius: formula a relação entre o fluxo de calor e o trabalho mecânico. Introduz o conceito de entropia (do grego, transformação). Enunciado da segunda Lei da Termodinâmica Teoria moderna do calor O trabalho de Clausius e de Kelvin tornou claro que o calor não era nenhum misterioso fluido, mas sim uma forma de energia.
Germain Henri Hess
Químico Russo/Suíço da época (1802 – 1850). Em 1841 Hess descobre que a variação da energia interna depende somente dos estados inicial e final do sistema e desta Formulou a lei de Hess que permite prever o calor libertado ou absorvido numa reacção cujas entalpias são conhecidas.
JamesPrescott Joule
Físico Inglês, James Prescott Joule (1818 – 1889), na década de 1840, James Prescott Joule assentou as bases da primeira lei da termodinâmica assentou que a quantidade de trabalho necessária para promover uma determinada mudança de estado é independente do tipo de trabalho (mecânico, eléctrico, magnético etc.) realizado, do ritmo e do método empregado. Finalizou a teoria do calórico e conduziu a teoria mecânica do calor. A energia potencial podia transformar-se em energia cinética e a energia cinética podia transformar-se em calor. O calor e a energia mecânica podem, portanto, ser consideradas como manifestações deferentes da mesma quantidade física: a energia. Em suma o trabalho realizado por um gás quando se expande e o calor gerado quando se comprime. Determina a quantidade de trabalho necessária para gerar uma quantidade determinada de calor (a equivalência entre a energia mecânica e o calor). Joule concluiu que o trabalho pode ser convertido em calor e vice-versa.
Joseph Louis Gay-Lussac
Cientista francês viveu entre 1778-1850, vieram varias leis nomeadas à homenagem. As leis de Gay-Lussac se aplicam tanto quimicamente, quanto fisicamente no comportamento dos gases. Umas das suas contribuições foi a 1ª lei: proporções volumétricas que também é conhecida pela da combinação de volumes.
Hermann Ludwig Ferdinand vonHelmholtz
Fisiologista e Físico Alemão, Hermann Ludwig Ferdinand vonHelmholtz viveu na época de (1821–1894) estabeleceu claramente a conversão da energia como um principio de validade universal aplicável a todos os fenómenos. Em 1882 estudando as reacções reversíveis introduz o conceito de energia livre.
A energia interna pode aumentar através da realização do trabalho (w) sobre o sistema, ou por meio de passagem de calor (Q) do exterior para o sistema. A variação da energia interna (∆U) é dada pela equação que traduz a 1ª lei da termodinâmica.∆U=W+Q.
Segunda lei da termodinâmica
Expressa a relação entre aentropia e a espontaneidade de uma transformação. Fornece aspectos qualitativos de processos em sistemas físicos, ou seja, ela diz que um processo pode ocorrer tanto em uma direcção como em outra.
William Thomson (Lord Kelvin)
Físico e Matemático escocês da era 1824 – 1907 Em 1848 William Thomson (feito Lord Kelvin por seu trabalho no desenho da bússola) propõe uma escala de temperatura em que a unidade de calor e de trabalho mecânico desenvolvido fosse sempre a mesma. Esta escala independente da substância utilizada ou do corpo. Deduziu a segunda lei da termodinâmica, apresentando-a com um enunciado distinto daquele de Clausius.” Nenhum processo e possível em que o único resultado seja a absorção de calor de um recipiente e a sua completa conversão em trabalho” Ele também foi um pioneiro na engenharia eléctrica e projectou o primeiro cabo telegráfico transatlântico Teoria moderna do calor O valor de 1/(273) para o coeficiente de dilatação dos gases tinha sido encontrado por Gay-Lussac, Regnault (França) e por Magnus (Alemanha) A Lei de Charles (1746 – 1823) prevê que, se pudéssemos de alguma forma inventar um gás ideal para preencher um termómetro a gás, o volume aprisionado desapareceria completamente a – 273.15C.
Marcelim-Pierre Berthelot
Químico francês (1827 – 1907) sugeriu que a variação de energia medida pelo calor libertado numa reacção fosse o critério de espontaneidade da reacção química. A hipótese de que só as relações exotérmicas seriam espontâneas, teve de ser posta de lado, pois a experiência mostrou haver uma serie de reacções espontânea em que se dá a absorção de calor (reacções endotérmicas)
Ludwig Edward Boltzmann
Físico Austríaco,Ludwig Edward Boltzmann(1864 – 1941) sendo que em 1877 Boltzmann estabelece o vínculo entre o teorema de Clausius sobre o aumento da entropia e a probabilidade de estado de um sistema. Interpretação estatística da entropia: S = kBlnΩ introduziu a interpretação estatística da entropia.Terceira lei da termodinâmica
A entropia de todos os cristais perfeitos e igual no zero absoluto de temperatura.
Walther Hermann Nerst e Max Karl Ernest Ludwig Plank.
Físico-químico polaco Walther Hermann Nerst (1864 – 1941) e Físico Alemão Max Karl Ernest Ludwig Plank (1864 – 1941) em trabalho conjunto formularam e enunciaram a 3ª lei da termodinâmica. “A entropia de todos os cristais perfeitos é igual no zero absoluto da temperatura”. Em particular Plank Demonstra a conexão entre a 2 a Lei e o conceito de reversibilidade. Em 1906 W. Nernst postula o Principio de que a variação de entropia numa transformação a T = 0 K, é nula.
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Referências bibliográficas
HALLYDAY, D. RESNICK R., WALKKER J. Fundamentos da Física. Rio de Janeiro: LTC, 7ª Ed. 2005;
SAVI., Arlindo António., COLUCCI., César Canesin., Termodinâmica 10., s.ed., Editora da Universidade Estadual de Maringá. 2010;
JOSÉ LUIS SAMPAIO. CAIO SÉRGIO CALÇADA. Universo da Física vol. 2, Ed. Actual, São Paulo, 2005;
MAVANGA, Gil Gabriel. Termodinâmicae física molecular.Anilda Ibraimokhan. Maputo. S/D.
