É claro que não basta apenas um artigo ou experimento para formular ou derrubar uma teoria, e as ideias sobre o calor estavam borbulhando. Diversos cientistas formularam versões do que se tornaria a Lei Um da Termodinâmica, desde 1840 até hoje, por isso é difícil apontar “O Pai” dela. Vamos citar algumas das observações interessantes que construíram essa teoria.
Julius Robert Von Mayer e o sangue quente tropical
O médico alemão Julius Robert von Mayer, em 1840, trabalhava em um veleiro holandês que viajava rumo a Jacarta, atual capital da Indonésia. Em seus atendimentos, percebeu que o sangue de seus pacientes ficou mais avermelhado conforme se aproximavam de regiões mais quentes, ou seja, ele permanecia rico em oxigênio. Mayer supôs que havia relação entre a quantidade de calor gerado pelo organismo e a temperatura do ambiente, já que o corpo precisaria queimar menos oxigênio para permanecer aquecido.
Desde Lavoisier e a ideia de que “nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”, a sociedade científica já imaginava uma relação entre o consumo de oxigênio e o aquecimento do corpo. Com isso em mente, Mayer questiona:
“As energias são entidades conversíveis, mas indestrutíveis […] a energia uma vez que existe, não pode ser aniquilada; pode somente mudar de forma, e daí surge a questão: que outras formas pode ela assumir? Somente a experiência pode nos levar a uma conclusão.”
Julius Robert Von Mayer [1842]
Entre 1840 e 1850, von Mayer mostrou que o trabalho podia ser convertido em calor através do atrito, ou seja, energia de movimento podia virar temperatura. O calor é uma forma de energia! Porém, a comunidade científica ignorou os trabalhos de von Mayer durante duas décadas, considerado ele especulativo devido à formação e carreira como auxiliar de medicina do autor.
James Joule e o experimento do Equivalente Mecânico do Calor
Fonte : Domínio público, via Wikimedia Commons.
Na mesma época de von Mayer, o jovem cervejeiro e cientista amador James Joule realizou uma série de experimentos num simples laboratório de sua família em Salford. Ele buscava encontrar algum tipo de medida mecânica relacionada ao calor. Em outras palavras, ele buscava converter o movimento em aquecimento, leia-se calor.
Após diversas tentativas, ele criou um experimento no qual a queda de um peso movimentava uma hélice em um recipiente com água. A temperatura era visualizada com um termômetro, possibilitando medir o aquecimento da água.
Com essa montagem, Joule conseguiu aquecer uma libra de água ( ~ 0,45 Litros) em um grau fahrenheit (~ 0,56 Celsius). Assim ele conseguia relacionar a diferença entre a energia potencial gravitacional e a energia cinética adquirida com o aumento da temperatura da água. Assim, Joule conseguiu medir o calor gerado no sistema a partir do trabalho mecânico!
Quando conseguiu resultados satisfatórios, depois de quase 30 anos, Joule apresentou-os em uma reunião em Oxford. Onde despertou o interesse do até então jovem William Thompson, o futuro Lord Kelvin! Joule se casou e, DURANTE A SUA LUA DE MEL, realizou experimentos em uma cachoeira em Chamonix junto do jovem Thompson.
De maneira objetiva, Joule demonstrou em 1845 que a “perda” de vis viva (energia mecânica) era, na verdade, o calor produzido no recipiente. Ele definiu que: “onde a Força Mecânica é gasta, sempre obtemos um equivalente exato de calor”. Essa é outra forma de descrever que a Energia se conserva.
Rudolf Clausius e a formalização da 1ª Lei da Termodinâmica
Rudolf Clausius foi quem publicou a primeira versão formal da 1ª Lei. Em 1850, ele descreveu processos termodinâmicos cíclicos (muito inspirado em motores), se referindo à Energia Interna do sistema como uma medida do estado deste. Segundo Clausius,
“Em um processo termodinâmico envolvendo um sistema fechado, o aumento da Energia Interna é igual à diferença entre o Calor acumulado pelo sistema e o Trabalho realizado por ele”.
Rudolf Clausius [1850]
Além disso, disse que “sempre que Trabalho é produzido por meio de Calor, a quantidade de Calor consumida é proporcional ao Trabalho realizado, e vice-versa”; dessa forma ele inclui os trabalhos de Joule e Mayer.
Muitos cientistas revisaram e reformularam a 1ª Lei, mas segue sendo utilizada. Fica claro, a partir da forma como é descrita, que a formulação Termodinâmica da Conservação de Energia e das relações entre Calor e Trabalho foi criada com motores em mente. Isso é um retrato da época na qual a Termodinâmica se desenvolveu: a Revolução Industrial.
Maria Eduarda Belló e Gabriel Cury Perrone / Equipe AMLEF 2023
Referências:
- Wikipédia:
- NUSSENZVEIG, H. Moysés, Curso de Física Básica 2. Edição: 5.ed. Cidade: São Paulo, Edgard Blücher, 2014.
- STILL, Ben et al. O Livro da Física. Edição: 1.ed. Cidade: Rio de Janeiro, Globo Livros, 2021.