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Termodinâmica.
Transformação de energia

História da termodinâmica, linha do tempo e origem

História da termodinâmica, linha do tempo e origem

A história da termodinâmica é uma etapa fundamental na história da física, da química e da história da ciência em geral. Esse conceito também está ligado a avanços tecnológicos como a geração de energia elétrica e o uso de energia térmica.

O desenvolvimento da termodinâmica continuou e continuou com a teoria atômica. Além disso, com uma abordagem engenhosa, mobilizou novos rumos em probabilidade e estatística; veja, por exemplo, a linha do tempo da termodinâmica.

O que é termodinâmica?

A termodinâmica é o ramo da física clássica que estuda e descreve as transformações termodinâmicas induzidas por calor e trabalho em um sistema termodinâmico.

Essas transformações são resultado de processos termodinâmicos que envolvem mudanças nas variáveis ​​de estado de temperatura e energia.

linha do tempo termodinâmica

A história da termodinâmica marca seu início em 1824.

Em 1824, Sadi Carnot foi o primeiro a mostrar que o trabalho pode ser obtido a partir da troca de calor entre duas fontes a diferentes temperaturas. Através do teorema de Carnot e da máquina ideal de Carnot (baseada no ciclo de Carnot) ele quantificou este trabalho e introduziu o conceito de eficiência termodinâmica.

Em 1848, Lord Kelvin, usando a máquina de Carnot, introduziu o conceito de temperatura termodinâmica efetiva e é responsável por uma declaração da segunda lei da termodinâmica.

Em 1850 James Prescott Joule provou a igualdade das duas formas de energia (então acreditava-se que o líquido calórico ainda existia).

Chegando a isso, surgiu o problema de que, se fosse possível obter o calor total do trabalho, não seria possível obter o inverso. Clausius chegou à mesma conclusão em 1855 quando apresentou sua desigualdade para reconhecer processos reversíveis de irreversíveis e o estado da função de entropia.

Em 1876 Willard Gibbs publicou o tratado "Sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas" (Sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas). Neste tratado ele mostrou como um processo termodinâmico poderia ser representado graficamente e como estudar energia, entropia, volume, temperatura e pressão desta forma poderia antecipar a eventual espontaneidade do processo considerado.

O caso da termodinâmica é emblemático na história e na epistemologia da ciência: é um daqueles casos em que a prática foi pioneira na própria teoria: o primeiro é projetado para a máquina a vapor, depois seu funcionamento teórico foi sistematizado por meio de sua princípios básicos.

Em 1967 surgiram os primeiros motores a vapor. Nesta época, o estudo da termodinâmica teve uma aplicação prática na indústria que mais tarde desencadeou a Revolução Industrial.

Qual é a origem da termodinâmica?

As civilizações antigas viam o calor como algo relacionado ao fogo. 

Os antigos egípcios consideravam que o calor estava relacionado a origens mitológicas. Na tradição filosófica ocidental, Empédocles propôs uma teoria de quatro elementos, na qual todas as substâncias derivam da terra, água, ar e fogo. Por volta de 500 a.C. C., o filósofo grego Heráclito argumentou que os três principais elementos da natureza eram fogo, terra e água.

No período moderno, pensava-se que o calor era uma medida de um fluido invisível, conhecido como calórico. Os corpos foram capazes de conter uma certa quantidade desse fluido, o que levou ao termo capacidade calorífica.

Os cientistas europeus Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei e Santorio Santorio nos séculos 16 e 17 foram capazes de medir a relativa "frieza" ou "calor" do ar, usando um termômetro de ar rudimentar.

Nos séculos 18 e 19, os cientistas abandonaram a ideia de um calórico físico e, em vez disso, entenderam o calor como uma manifestação da energia interna de um sistema. Hoje o calor é a transferência de energia térmica desordenada.

Os fundamentos da teoria atômica

A teoria atômica é uma teoria física que assume que tudo no mundo consiste nas menores partículas: átomos, mantidos juntos por forças nucleares e elétricas. No século 20, foi demonstrado na prática que um átomo pode ser dividido em partículas subatômicas ainda menores.

O atomismo é uma parte central da relação atual entre termodinâmica e mecânica estatística. Pensadores antigos como Leucipo e Demócrito, e mais tarde os epicuristas, ao avançar o atomismo, lançaram as bases para a teoria atômica posterior.

Até que a prova experimental de átomos fosse fornecida no final do século 20, a teoria atômica e os modelos atômicos eram em grande parte impulsionados por considerações filosóficas e intuição científica.

O conceito de vazio

O filósofo grego do século V aC Parmênides usou o raciocínio verbal para postular que um vazio, essencialmente o que hoje é conhecido como vazio, não poderia ocorrer na natureza. Essa visão foi apoiada pelos argumentos de Aristóteles, mas foi criticada por Leucipo e Herói de Alexandria.

Desde os tempos antigos até a Idade Média, vários argumentos foram apresentados para provar ou refutar a existência de um vácuo e várias tentativas foram feitas para construir um vácuo, mas todas sem sucesso.

Em 1643, Galileu Galilei acreditava que a aversão da natureza ao vazio é limitada. Bombas operando em minas já haviam mostrado que a natureza só preencheria um vazio com água até uma altura de 30 pés. Sabendo desse curioso fato, Galileu incentivou seu ex-aluno Evangelista Torricelli a investigar essas supostas limitações.

Aparecimento das primeiras máquinas térmicas

O físico e químico irlandês Robert Boyle em 1656, em coordenação com o cientista inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e Hooke observaram a correlação pressão-volume: PV = constante.

Naquela época, o ar era considerado um sistema de partículas estacionárias e não era interpretado como um sistema de moléculas em movimento.

O conceito de movimento térmico surgiu dois séculos depois. Mais tarde, após a invenção do termômetro, a temperatura do imóvel pôde ser quantificada. Essa ferramenta deu a Gay-Lussac a oportunidade de derivar sua lei, que levou pouco depois à lei dos gases ideais.

Mas, mesmo antes do estabelecimento da lei do gás ideal, um associado de Boyle chamado Denis Papin construiu em 1679 um digestor de ossos, que é um recipiente fechado com uma tampa apertada que confina o vapor até que a alta pressão seja gerada.

Projetos posteriores implementaram uma válvula de liberação de vapor para evitar que a máquina explodisse. Observando como a válvula se movia ritmicamente para cima e para baixo, Papin concebeu a ideia de um motor de pistão e cilindro, um motor alternativo.

Quem inventou a máquina a vapor?

Em 1697, o engenheiro Thomas Savery construiu o primeiro motor a vapor baseado nos projetos de Papin.

Embora esses primeiros motores fossem ineficientes, eles atraíram a atenção dos principais cientistas da época. Um desses cientistas foi Sadi Carnot, o pai da termodinâmica, que em 1824 publicou Reflections on the Motive Power of Fire, um discurso sobre calor, potência e eficiência do motor.

Isso marca o início da termodinâmica como uma ciência moderna.

Nos anos que se seguiram, mais variações de motores a vapor foram construídas, como o Newcomen Engine e mais tarde o Watt Engine.

Com o tempo, esses primeiros motores acabariam sendo usados ​​​​no lugar da potência. Portanto, cada motor passou a ser associado a uma certa quantidade de "cavalos de potência", dependendo de quantos cavalos foram substituídos.

O principal problema com esses primeiros motores era que eles eram lentos e desajeitados, convertendo menos de 2% do combustível fóssil de entrada, geralmente carvão, em trabalho útil. Daí nasceu a necessidade de uma nova ciência da dinâmica do motor.

Uso da termodinâmica na energia solar

A história da termodinâmica tem um papel fundamental no campo da energia solar e especificamente na energia solar térmica. O uso da radiação solar para obter calor começou a ser utilizado na antiguidade. As culturas primitivas o usavam sem estar cientes disso.

Mais tarde, diferentes civilizações desenvolveram sua arquitetura para aproveitar o calor solar de maneira eficiente, conforme detalhado na história da energia solar. Isso é o que agora é chamado de energia solar passiva.

Por volta de 1767, Horace Bénédict De Saussure inventou o coletor solar. Este novo coletor solar teve um impacto decisivo na história da energia solar e no desenvolvimento da energia solar térmica de baixa temperatura. O coletor solar aproveita a física termodinâmica para realizar transferências de calor e transformações termodinâmicas.

Desta forma, as leis da termodinâmica passaram a ter um papel fundamental no desenvolvimento das energias renováveis, especificamente a energia solar.

Autor:
Data de Publicação: 7 de março de 2018
Última Revisão: 29 de junho de 2022