A Termodinâmica começou a ser pensada e desenvolvida por motivos práticos: construir máquinas capazes de diminuir o esforço colocado em diversos tipos de trabalhos. Por volta de 5.000 anos atrás o ser humano já pensava sobre a Termodinâmica, associando o calor ao fogo e brincando com máquinas térmicas, como a Eolípila de Heron (10 EC a 80 EC). Apesar da noção dessa forma de energia ser muito antiga, sua aplicação ao trabalho, de fato, veio apenas cerca de 400 anos atrás, ainda no século XVII, quando Otto von Guericke projetou o primeiro motor do mundo. É claro que, muito antes disso, dominamos o fogo e aplicamos seu poder à culinária e à violência.
Abordaremos aqui uma área da física de natureza fenomenológica: suas leis são essencialmente baseadas em experimentos. Quando falamos em Termodinâmica, nos referimos a quantidades mensuráveis como Volume, Pressão e Temperatura. Os avanços teóricos nessa área, contra-intuitivamente, são essencialmente abstratos, como veremos a seguir, tratando de grandezas como Energia e Entropia.
A sensação de “calor e frio” são intrínsecas ao ser humano e, por isso, nos acompanham por toda nossa existência, mas elas podem nos enganar, basta fazer um simples experimento utilizando 3 potes e água. A medida de temperatura não é algo tão trivial. Considera-se Filão de Bizâncio, no século III AEC, teria criado uma primeira versão de um mecanismo para medir variação de temperatura, posteriormente revisitado por Galileu e outros cientistas do início da Idade Moderna. Certamente outros mecanismos similares foram desenvolvidos na África e Ásia, mas os registros que temos têm sua origem na Europa. Foi no século XVIII que um médico e químico chamado Joseph Black deu origem ao termo “Calor”, que seria um fluido de peso desprezível que poderia penetrar todos os corpos materiais, de modo que suas temperaturas aumentem.
A ideia de Calor como um fluido continuou sendo utilizada por décadas por um dos maiores nomes da Termodinâmica: Sadi Carnot. Ele criou uma analogia sobre o funcionamento do motor a vapor que comparava‑a com um de uma roda d’água, na qual o trabalho é realizado pela queda de água de uma altura maior para uma altura menor. Isso levou Carnot a concluir que a quantidade de energia mecânica gerada é proporcional à diferença entre as temperaturas da caldeira e do condensador do motor, assim como no exemplo anterior, porém substituindo a temperatura por diferença de altura. Essa analogia mais tarde seria reconhecida como o início da formulação da Segunda Lei da Termodinâmica.
O início da visualização do Calor como uma forma de energia, ao invés de uma substância material, só foi ocorrer no ano de 1798, quando o engenheiro militar Benjamin Thompson apresentou a ideia de Calor como uma forma de movimento interno de um corpo material, e que era proporcional à energia mecânica. A conceitualização de Energia, a partir de medidas concretas, e o estudo da sua transformação é o que forma a Termodinâmica (do grego, therme significa calor e dynamis potência, ou poder), ou seja, a dinâmica das propriedades térmicas.
Experimente em casa: Frio ou Quente? Sabemos diferenciar?
- Preparação:
- Aqueça (não muito) um pouco de água e coloque no pote 1;
- Coloque água em temperatura ambiente no pote 2;
- Coloque água com gelo no pote 3;
- O Teste:
- Coloque a mão no pote 1 e se pergunte: a água parece quente ou fria?
- Mantenha a mão no pote 1 por 2 minutos. Agora, a água parece quente ou fria?
- Transfira a mesma mão para o pote 2 e se pergunte novamente: a água parece quente ou fria?
- Coloque a mão no pote 3 e se pergunte: a água parece quente ou fria?
- Mantenha a mão no pote 3 por 2 minutos. E agora, a água parece quente ou fria?
- Transfira a mesma mão para o pote 2 e se pergunte novamente: a água parece quente ou fria?
O que podemos concluir desse teste? Afinal, o pote 2 continha água quente ou fria? Será que nós conseguimos ter uma percepção correta da temperatura de algo, ou será que temos apenas uma ideia relativa entre diferenças de temperaturas?
Laila Berg da Nobrega e Gabriel Cury Perrone / Equipe AMLEF 2023
Referências:
- Termodinâmica (PT/EN)
- História da Termodinâmica (PT/EN)
- Fahrenheit (PT/EN)
- Filão de Bizâncio (PT/EN)
- Heron de Alexandria (PT/EN)
- Scientific American: Cold or Warm, Can We Really Tell?