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TERMODINÂMICA Aula 02. A Substância do Calor Georg Ernest Stahl (1659 – 1734) Segundo o químico e médico alemão Georg Ernst Stahl os corpos combustíveis.

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1 TERMODINÂMICA Aula 02

2 A Substância do Calor

3 Georg Ernest Stahl (1659 – 1734) Segundo o químico e médico alemão Georg Ernst Stahl os corpos combustíveis possuiriam uma matéria chamada Flogisto ou flogístico, liberada ao ar durante os processos de combustão (material orgânico) ou de calcinação (metais). "Flogisto" vem do grego e significa "inflamável", "passado pela chama" ou "queimado".

4 A absorção dos flogistos do ar seria feita pelas plantas. A teoria do flogisto foi desenvolvida por Stahl entre 1703 e Stahl considerou que quando um material entrava em combustão, sofria corrosão ou era calcinado perdia o seu flogisto: quanto mais combustível for um material, mais flogisto libertava na combustão. Esta teoria permitia explicar vários fenômenos observados, como a perda de massa na combustão de um material (por perda de flogisto), a impossibilidade de um combustível arder sem a presença de ar, porque o ar é necessário para absorver o flogisto libertado. O flogisto era uma espécie de essência que podia fluir entre materiais.

5 Joseph Black (1728 – 1799) Médico, físico e químico que fundou a Calorimetria. Black foi um dos primeiros a se preocupar em distinguir calor e temperatura.

6 Misturando quantidades diferentes de água à diferentes temperaturas colocava em evidência a conservação de um termo de troca, o calor, que passava do corpo mais quente para o corpo mais frio. Observou que o gelo absorve o calor sem mudar de temperatura quando derrete. Daqui ele concluiu que o calor se deve ter combinado com as partículas do gelo e se tornado latente. Black notou que corpos diferentes mas com a mesma massa, necessitam de diferentes quantidades de calor para terem igual aumento de temperatura, iniciando assim a teoria dos calores específicos. Suas descobertas favoreciam a ideia do calos como uma substância que mais tarde seria batizada de calórico por Lavoisier.

7 Antoine Laurent Lavoisier ( ) Lavoisier, Antoine Laurent ( ), de Paris; químico. Autor de Traité élémentaire de chimie (1789). Bautizo como calórico a sustância formada por partículas de calor.

8 O calórico era atraído pelos átomos das substâncias, mas era auto-repelente. Formava-se uma nuvem de calórico em torno de cada átomo e estas nuvens se repeliam entre si, evitando assim que os átomos se aproximassem demais. A temperatura dependia da densidade de calórico na superfície do corpo. Para aumentar a temperatura, fornecia-se calórico ao corpo. Isto aumentava não só o calórico na superfície, mas também a repulsão entre os átomos, fazendo com que o corpo aumentasse de volume. Explicava-se assim o fato de os corpos se dilatarem quando a temperatura aumenta. A teoria do calórico explicava quase todos os fenômenos térmicos e foi aceita durante todo o século XVIII. Ainda hoje a parcela da população não científica (e que pensa sobre estes fenômenos) julga o calor como se fosse um fluido, e mesmo entre os cientistas muitas palavras e muitas idéias vêm dessa teoria. No entanto, ela foi abandonada, em meados do século XIX, porque ficou claro que o calor é uma forma de energia que passa de um corpo a outro e que é devida às energias de movimento de todos os átomos do corpo.

9 As Máquinas Térmicas

10 A Eolípila Esta máquina é considerada a primeira máquina a vapor e a precursora dos modernos motores de propulsão a jato. Foi construída pelo famoso inventor Herón de Alexandría em 120 a.C.

11 Denis Papin (1647 – 1712) Foi o inventor da Marmita de Papin (máquina a vapor), apresentada em 1679, que precedeu a invenção do autoclave e a panela de pressão. Era constituída por um cilindro de ferro assente sobre uma base circular perfurada na parte superior. O cilindro possui uma pequena porta frontal para a introdução do combustível. No interior do cilindro de ferro existe outro cilindro designado por marmita ou digestor de Papin que está hermeticamente fechado por uma tampa circular. Este dispositivo destinava-se a aquecer água a temperaturas acima do seu ponto de ebulição.

12 Thomas Savery (1650 – 1715) A primeira máquina à vapor realmente planejada para reduzir o trabalho humano foi idealizada por Savery. Ele foi a primeira pessoa a construir aparelhos comerciais para bombear a água, por condensação do vapor para criar um vácuo. Em 1698 registrou a patente para sua bomba, que foi descrita como "capaz de aumentar a força da água por força motriz do fogo", ele a chamou de Amigo do Mineiro.

13 A de Máquina Savery

14 Tomas Newcomen (1663 – 1729) Este inglês foi um ferreiro e mecânico. Em 1712, Newcomen instalou uma máquina para drenar a água acumulada nas minas de carvão, em Staffordshire, na Grã- Bretanha, a primeira movida a vapor, patenteada em 1712.

15 A de Máquina Newcomen

16 James Watt (1736 – 1819) Watt contruiu em 1769 a primeira máquina de vapor com condensador separado do cilindro e regulador de distribuição de vapor (máquina de efeito duplo). Era de alto rendimento en comparação com os desenhos anteriores do francês Denis Papin (1687) e dos britânicos Thomas Savery (1698) e Thomas Newcomen (1712).

17 A de Máquina Watt

18 Trabalhava como fabricante de instrumentos de medida, na Universidade de Glasgow. O trabalho na universidade tornou possível seu encontro com o motor a vapor de Newcomen. Dois anos antes, ele já discutira com seus amigos algumas idéias para melhorá-lo. Além disso, tinha tentado realizar algumas experiências sem bons resultados. Agora ele dispunha de um motor e das peças necessárias para reconstruí-lo. Watt conseguiu descobrir que, para melhorar seu funcionamento, era necessário elevar a temperatura do vapor, resfriando-o depois bruscamente durante a expansão. Acrescentou o condensador de vapor e outros artifícios destinados a melhorar o rendimento do motor. Depois dessas modificações o resultado era muito semelhante ao do motor ainda hoje em uso, com condensador, caixa de distribuição e sistema biela-manivela, para obter o movimento rotativo a partir do alternado. A alteração permitiu aumentar em 75% o rendimento da maquina de Newcomen. O engenheiro fazia todas as experiências à noite porque durante o dia trabalhava para manter a família, pois seu pai estava arruinado.

19 As primeiras experiências de Watt, destinadas a mostrar os méritos do seu motor, não foram vitoriosas: os recursos eram escassos e ele não conseguia ordenar seus negócios. Por quatro anos trabalhou como engenheiro civil e elaborou um projeto para um canal entre Forth e Clyde. A Câmara dos Comuns, entretanto, não aprovou o trabalho. Em 1769 fez um segundo projeto, desta vez para o canal destinado a transportar carvão para Glasgow. Finalmente encontrou um financiador, J. Roebuck, para a aplicação em larga escala de sua descoberta, mas a sociedade fundada para esse fim faliu em pouco tempo. A associação com Matthew Boulton, engenheiro de Birmingham, foi mais afortunada. Conseguiu em 1769 a patente para o motor de Watt e, em 1775, a prorrogação da posse por mais 25 anos. A prova decisiva do invento veio quando uma mina alagada foi inteiramente drenada em dezessete dias, enquanto os métodos tradicionais exigiam meses de esforço.

20 Watt propôs também que seu motor fosse utilizado para operar os elevadores subterrâneos. O motor tinha numerosas aplicações e como substituía os cavalos, para dar ao comprador uma idéia de sua capacidade, a potência era expressa pelo número de cavalos que podia substituir, gerando a expressão horsepower (hp). Os aperfeiçoamentos no modelo inicial sucederam-se, exigindo novas patentes, em 1781, 1782 e Outra invenção foi o controlador centrífugo, graças ao qual a velocidade dos motores rotativos foi automaticamente controlada. Esse trabalho é atualmente considerado como uma das primeiras aplicações da realimentação, um elemento essencial para a automação. Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de potência do Sistema Internacional de Unidades (SI). É equivalente a um joule por segundo (1 J/s).

21 Barco à Vapor

22 Locomotiva à Vapor

23 Carro à Vapor

24 Benjamin Tompson – Conde de Rumford (1753 – 1814) As experiências de Benjamin Thompson vieram contrariar a teoria do calórico afirmando que o calor não é uma substância mas sim, energia. No livro Experimental inquiry concerning the source of heat excited by friction (1798), ele interpreta o calor como movimento molecular. Rumford também mediu as relações entre o trabalho realizado e o calor produzido.

25 Tendo Rumford verificou por várias vezes à construção de canhões. Constatou que quando se tinha que perfurar peças de bronze, estas tinham que ser introduzidas em tanques de água fria, pois o aquecimento era tal que fricção das brocas fazia a água ferver. Tinha sido possível aquecer água sem fogo, apenas através da fricção. Decidiu então passar à seguinte experiência: Mediu quantidade de pó metálico e de calor (calórico) resultante do perfuramento das peças. Concluiu então que não havia diferenças entre a quantidade de substância calórica nem pó metálico resultante. Para elevar a temperatura do sistema e aumentar o calor (calórica) usou uma broca muito pouco afiado e aumentou o trabalho (W). Com uma balança muito precisa tentou medir a massa da substancia calórica mas ao comparar o peso da água utilizada para medir a quantidade de calor libertada no processo foi incapaz de detectar a diferença. Rumford conclui que o calor não devia ser mais que o movimento vibratório entre as partículas dos corpos. Uma substância não pode não ter massa nem ser infinita.

26 Davy Humphry (1778 – 1829) Também concluiu a natureza vibracional do calor, mas por meios eletroquímicos. aprofundou seus estudos em eletrólise ou a decomposição de um composto pela passagem de uma corrente elétrica em solução aquosa de diversos sais. Através do processo de eletrólise, decompôs a soda e a potassa, a que até então eram consideradas elementos, descobrindo dois importantes metais: o sódio e o potássio. Nos anos seguintes isolou o bário, o boro, o cálcio, o estrôncio e o magnésio. Após aperfeiçoar a invenção de Volta e conseguiu produzir o primeiro arco elétrico (1815), inventando a lâmpada de segurança para mineiros, a chamada lâmpada de Davy, usada até hoje, uma invenção fundamental para proteção dos operários das explosões provocadas pelo metano em mistura com o ar atmosférico.

27 A Teoria dos Gases

28 Jaques Alexandre Cesar Charles (1746 – 1823) Desenvolveu a teoria relacionando as grandezas de estado em um sistema por volta de A lei de Charles é uma lei dos gases perfeitos: à pressão constante, o volume de uma quantidade constante de gás aumenta proporcionalmente com a temperatura.

29 Joseph Louis Gay-Lussac (1778 – 1850) Político, químico e físico francês Em 1802 descobriu las leis que relacionam as variações de pressão, volume e temperatura, independente de Charles. Como ele publicou seus trabalhos, ficou com os créditos da chamada Lei dos gases ideais. Em 1808 formulou a Lei de combinação dos volumes.

30 30 Lei de Charles e Gay-LussacCharles e Gay-Lussac 1ª Lei de Charles e Gay-lussac P = Const. 2ª Lei de Charles e Gay-lussac V = Const. V 1 T 2 = V 2 T 1 P 1 T 2 = P 2 T 1

31 John Herapath (1790 – 1868) No livro Mathematical inquiry into the causes, laws and principal phaenomena of heat, gases and gravitation, publicado em 1820 expôs suas ideias, altamente especulativas e escassamente consideradas na época, acerca de uma teoria cinética do calor. Em particular obteve a mesma relação entre pressão e velocidade molecular de Bernoulli em 1738, sem conhecer este resultado.

32 A Termodinâmica

33 Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832) Sadi Carnot estava interessado no estudo das máquinas térmicas, na melhoria de seu rendimento. No livro Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propes à developper cette puissance, publicado em 1824, Carnot lança da base da Chamada Termodinâmica.

34 34 Ciclo de Carnot

35 A possibilidade de interconversão entre calor e trabalho possui restrições para as chamadas máquinas térmicas: "Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um sistema deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias, continuamente. Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade de calor da fonte quente (energia útil), que é parcialmente convertida em trabalho, sendo o restante rejeitado para a fonte fria (energia dissipada)"

36 Robert Julius von Mayer (1814 – 1878) Von Mayer era um médico apaixonado por física, publicou seu primeiro paper On the Quantitative and Qualitative Determination of Forces, em 1841, trabalho que não recebeu o devido reconhecimento pela comunidade científica. Com este trabalho ele tornou-se o pioneiro na formulação do Princípio da equivalência entre trabalho mecânico e energia térmica, do qual deriva o primeiro princípio da termodinâmica (princípio da conservação de energia) quando (1842) baseado em considerações teóricas, deduziu pela primeira vez o valor do equivalente mecânico da quantidade de calor.

37 James Prescott Joule (1818 – 1889) Joule demonstrou experimentalmente que o calor é uma forma de energia e medindo o equivalente mecânico do Calor.

38 Quando tinha 18 anos Joule iniciou seus estudos sobre o calor liberado por uma corrente elétrica fluindo em um condutor, e em 1840 deduziu a lei que relaciona a corrente elétrica e a resistência do condutor ao calor transmitido (Lei de Joule), e publicou "Sobre a Produção de Calor por meio da Eletricidade Voltaica". Entre 1837 e 1847 seu trabalho estabeleceu o princípio da conservação da energia e a equivalência do calor e de outras formas de energia. O médico J. R. Mayer tinha chegado à idéia da conservação da energia na década de 1840, mas de uma forma não tão clara, e W. Thomson e Helmholtz também deram contribuições, mas foi Joule que estabeleceu a equivalência de uma forma explícita e precisa.

39 Joule desenvolveu uma relação para a equivalência entre o trabalho mecânico e o calor em Mediu a pequena variação de temperatura causada num recipiente cheio de água, agitada pela rotação de pás acionadas por um sistema de polias e massas em queda. Utilizava já as existentes teorias da conservação da quantidade de movimento e da conservação da massa, e contribuiu decisivamente para o estabelecimento da lei da conservação da energia, conhecida como a Primeira Lei da Termodinâmica. Em 1848 publicou um trabalho a respeito da teoria cinética dos gases, calculando a velocidade das moléculas que os constituem.

40 Joule e o físico William Thomson (Lord Kelvin) colaboraram durante cerca de 7 anos, a partir de 1852, em diversos experimentos, principalmente em relação ao efeito Joule-Thomson, pelo qual quando um gás se expande sua temperatura cai, sugerindo a possibilidade de aproveitamento desse efeito para o desenvolvimento de máquinas de refrigeração. Era uma pessoa muito modesta, e tornou-se uma espécie de assistente de Thomson ao invés de seguir suas próprias linhas de pensamento. Joule foi um dos grandes experimentalistas de seu século, tendo elaborado suas principais contribuições antes dos 30 anos de idade. Em 1878, Joule publicou um resultado mais aperfeiçoado do equivalente mecânico do calor.

41 William John Macquorn Rankine (1820 – 1872) Interessado no rendimento das máquinas térmicas, realizou contribuições para o desenvolvimento da termodinâmica. Em 1853 desenvolveu um modelo de vórtices moleculares que lhe permitiu obtera relação entre pressão e velocidade molecular estabelecida por Bernoulli (1738). Desenvolveu a escala termométrica que leva o seu nome. Os conceitos de energia potencial e energia cinética são devidos a este cientista (1859). Também o o termo adiabático ficou popularizado em engenharia após a publicação da sua obra " A Manual of Steam Engine and Other Prime Movers".

42 Herman Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1820 – 1872) Fisiologista, matemático e físico alemão que publicou, em 1847 a obra En Über die Erhaltung der Kraft na qual apresenta uma formulação definitiva do calor como forma de energia e da lei universal de conservação.

43 Primeira Lei da Termodinâmica Se trata de um dos casos mais famosos de descoberta simultânea. Os créditos iniciais se repartem entre Mayer (1842) e Joule ( ) por suas propostas, independentes e com características diferentes, do calor, trabalho mecânico, eletricidade, etc. como distintas formas do que hoje chamamos energia e da lei universal da conservação. Posteriormente Helmholtz, em 1847, amplia essa idéias, conectando a conservação da energia com a teoria cinética da matéria.

44 Rudolph Julius Emmanuel Clausius (1822 – 1888) Formulou em 1850 o segundo principio da termodinâmica em termos da impossibilidade de certas transformações. Em 1865 o reformula em termos da Entropia no sistema. O livro Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen, de 1857, contém as bases da teoria cinética dos gases, da qual é o compilador indiscutível.

45 William Thomson, Lord Kelvin (1824 – 1907) Em 1832 descobre que a descompressão dos gases provoca esfriamento, e cria a escala de temperaturas absolutas, cujo valor da temperatura em graus equivale ao grau Celsius mais 273,16. Interessado no aperfeiçoamento da física instrumental, projeta e desenvolve vários equipamentos, entre eles um aparelho usado na primeira transmissão telegráfica por cabo submarino transatlântico. Em 1852 observa o que hoje se chama de efeito Joule- Thomson: a redução da temperatura de um gás em expansão no vácuo. Em 1851 formulou o enunciado do segundo princípio da termodinâmica.

46 Segunda Lei da Termodinâmica Em 1850 Clausius estabelece a impossibilidade de uma transformação termodinâmica cujo único resultado seja passar calor de um corpo frío a outro mais quente. Em 1851 Lord Kelvin estabelece a impossibilidade de uma transformação termodinâmica cujo único resultado seja a completa conversão do calor em trabalho. Kelvin demostrou que os dois enunciados anteriores são equivalentes. Em 1865 Clausius o formulou com maior precisão matemática, criando a função Entropia.

47 A Interpretação Estatística

48 John James Waterston (1811 – 1883) Em 1845 enviou um trabalho para a Royal Society contendo a primeira formulação do princípio de Equipartição de Energia. O trabalho não foi aceito para publicação. Em 1892 Lord Rayleigh o resgatou do esquecimento e o publicou.

49 August Karl Krönig (1822 – 1879) Em 1856 deduziu a equação dos gases ideais usando um modelo de esferas elásticas com velocidades iguais, decompondo o movimento em três dimensões perpendicularmente equivalentes.

50 James Clerk Maxwell (1831 – 1879) Maxwell deduziu em 1860, a primeira distribuição de probabilidades para a velocidade das moléculas em um gás ideal, também realizou contribuições importantes em outros campos.

51 51 Demônio de Maxwell

52 Jossiah Willard Gibbs (1839 – 1903) Gibbs desenvolveu a geometrização da termodinâmica em On the equilibrium of heterogeneous substances escrito entre 1876 e No livro Elementary principles of statistica mechanics, de 1902, aparece a formulação moderna da mecânica estatistica, e termos de coletividades, e em 1901 piblica uma versão utilizando álgebra vetorial.

53 Ludwig Boltzman (1844 – 1906) Foi o grande nome da teoria cinética dos gases. Em 1872 publicou a Equação de Boltzman e o Teorema H. Em 1877 propos sua descrição probabilistica do segundo princípio da termodinâmica, incluindo a relação entre Entropia e descrição microscópica, introduziu o método combinatório e seus elementos de energia, como ferramentas de cálculo.

54 54 A Entropia


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