A história da primeira Lei da Termodinâmica

Os cientistas que contribuíram decisivamente para o aparecimento da primeira Lei da Termodinâmica foram os seguintes:

Carnot - O pai da Termodinâmica

Nicolas Léonard Sadi Carnot físico francês apresentou em 1824 um trabalho “ Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a développer cette puissance ” ( Reflexões sobre a potência motriz do fogo e sobre as máquinas preparadas para desenvolver essa potência ) que foi inicialmente ignorado, e actualmente constitui uma das obras-primas da História das Ciências.

Carnot escreveu no seu trabalho a frase:

“Ninguém ignora que o calor pode ser a causa do movimento. Que ele possui até uma grande potência motriz: as máquinas a vapor, hoje tão espalhadas, são uma prova eloquente para quem tiver olhos para ver.”

É em torno do desempenho das máquinas a vapor que Carnot estabelece uma das mais importantes sistematizações da Termodinâmica, delimitando a transformação de energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho). Ele acreditava na criação de energia mecânica por simples transporte de calórico . Por exemplo, a máquina a vapor realizava trabalho quando o calor passava da fonte quente (caldeira) para a fonte fria (condensador).

Carnot descreveu uma máquina ( a máquina térmica ) na qual comparou a queda do calórico com a queda de água de uma caixa de água. Ao considerar o facto de que essa água podia voltar à sua caixa por intermédio de uma bomba, concluiu que a sua máquina poderia trabalhar de modo reversível , isto é, ora deixando o calórico cair da fonte quente para a fonte fria , ora elevando-o da fria para a quente .

No seu estudo Carnot admitiu como correcta a Teoria do Calórico , o que implicava que no processo que ocorre na máquina a vapor haja conservação de calor.

Carnot apresentou sem o justificar, um número, 3,62 J cal ^-1 , representando a quantidade de potência motriz (trabalho) necessária para produzir uma certa quantidade de calor, usando um raciocínio semelhante ao que seria utilizado mais tarde, em 1842, pelo físico Julius Mayer .

Mais tarde, em 1832, Carnot morreu de cólera e descobriu-se uma série de notas, nas quais descreveu novas experiências com a sua máquina, em que se veio a verificar que ele tinha posto de lado a Teoria do Calórico e sugeriu que o que havia era conservação de energia e não de calor.

“Podemos estabelecer como tese geral que a potência motriz existe em quantidade invariável na Natureza, que ela nunca é, propriamente falando, nem produzida nem destruída. Na verdade ela muda de forma, isto é, ela produz umas vezes um tipo de movimento outras vezes um tipo diferente, mas nunca é destruída. Este princípio deduz-se por si só, digamos assim, da teoria mecânica.”

Eis esboçando a primeira Lei da Termodinâmica ao apresentar a conservação da energia e a possibilidade de transformações recíprocas das diferentes formas de energia.

Esta conclusão já tinha sido estabelecida anteriormente graças aos trabalhos de Mayer , Joule e Helmholtz , mas após 40 anos da morte de Carnot é que se publicou a obra em que se tornou evidente que ele já tinha chegado à primeira Lei da Termodinâmica antes de todos os outros. Actualmente é considerado o pai da Termodinâmica.

Mayer

Julius Robert Mayer interessou-se também com a relação existente entre o calor e o trabalho, durante uma viagem em que se alistou como médico de bordo de um navio em direcção a Java. Durante a viagem diversos marinheiros precisaram de ser sangrados e comparou o sangue com o dos habitantes de Java. Ele ficou surpreendido pelo facto do sangue venoso dos naturais da ilha ser um vermelho mais vivo do que o dos Europeus, atribuindo tal diferença ao fenómeno segundo o qual o organismo humano, dada a elevada temperatura do clima tropical, teria de produzir menos calor para cobrir as perdas dele do que é preciso na Europa, onde a temperatura do ambiente é notavelmente inferior. Mayer supôs que se devia ao facto de haver uma certa relação quantitativa entre o calor desenvolvido internamente pelo corpo e o perdido para o exterior, sendo este no entanto, dependente da temperatura externa.

Assim, já em casa, Mayer procurou formalizar essa ideia sobre a conversão de calor em trabalho e também a maneira de medir o equivalente mecânico do calor .

A primeira Lei da Termodinâmica, de acordo com a qual calor e trabalho são mutuamente interconversíveis, foi primeiramente estabelecida de maneira clara pelo físico e médico alemão Julius Robert Mayer, em 1842.

“Quando um sistema material apenas troca trabalho mecânico e calor com o exterior, e volta de seguida ao seu estado inicial: se o sistema recebeu trabalho, cedeu calor; se o sistema recebeu calor, forneceu trabalho; há uma razão constante entre o trabalho ( w ) e a quantidade de calor ( q ) trocadas:   = constante = J , em queJ é designado por equivalente mecânico do calor.”

Mayer concluiu que a relação existente entre o calor e o trabalho também existia entre várias formas de energia: a química, a eléctrica, etc.

Ele obteve para J um valor em torno de 3,56 J cal ^-1 . Se ele tivesse usado os dados experimentais actuais teria chegado ao valor conhecido actualmente ( 4,184 J cal ^-1 ) .

Clausius

O físico alemão Rudolf Julius Emanuel Clausius apresentou ideias que tiveram influência na formulação da primeira Lei da Termodinâmica e também na segunda Lei da Termodinâmica.

Clausius apresentou o critério que quer o trabalho quer o calor fornecidos pelo exterior ao sistema são positivos. Pelo contrário, quer o trabalho quer o calor fornecidos pelo sistema ao exterior são negativos

Joule

Em 1843, o físico inglês James Prescott Joule convenceu os cépticos de que o calor não era uma substância, finalizando com a Teoria do Calórico e conduzindo àTeoria Mecânica do Calor .

A partir de um grande número de experiências , Joule chegou à mesma conclusão que Mayer, de que o mesmo efeito podia ser conseguido quer fornecendo calor quer fornecendo trabalho.

Com todo o seu trabalho Joule verificou que o equivalente mecânico do calor é 4,154 J . Ao comparar o valor do equivalente mecânico do calor conhecido atualmente e o obtido por Joule, verifica-se que o erro experimental de Joule é de aproximadamente 1%. Em sua homenagem a unidade do sistema internacional (SI) de energia, sob todas as formas, é o Joule, embora se utilize ainda, por tradição, a caloria.

Joule concluiu que a energia potencial podia transformar-se em energia cinética e a energia cinética podia transformar-se em calor. Mas, de uma maneira geral era impossível que a energia se gerasse do nada. O calor e a energia mecânica podem portanto ser consideradas como manifestações diferentes da mesma quantidade física: a energia .