Faremos uma viagem pela história da termodinâmica, aquela parte da física que estuda o calor, a energia e como eles se transformam.
Para entender como conhecemos tanto sobre esse tema, é importante conhecer as grandes mentes que fizeram descobertas importantes.
Vamos falar sobre os cientistas mais destacados da termodinâmica, suas vidas, algumas curiosidades e o papel fundamental que desempenharam na evolução desta ciência.
Sadi Carnot (1796-1832) – O pai da termodinâmica
Comecemos por um dos mais importantes, o francês Sadi Carnot .
Carnot é considerado um dos pioneiros da termodinâmica, embora não tenha visto o desenvolvimento completo desta ciência, pois morreu jovem, aos 36 anos, vítima de cólera. Carnot nasceu em Paris, numa família com fortes ligações políticas e científicas, o que lhe permitiu estudar nas melhores instituições da época, como a Escola Politécnica de Paris.
O que torna Carnot tão importante é que ele foi o primeiro a entender como funcionavam as máquinas térmicas, ou seja, aquelas que convertem calor em trabalho.
Em seu famoso livro "Reflexões sobre a força motriz do fogo" (1824), ele propôs que as máquinas a vapor não poderiam funcionar sem uma diferença de temperatura entre uma fonte quente e uma fonte fria. Basicamente, a máquina a vapor precisava de um “fluxo” de calor do quente para o frio para realizar um trabalho útil.
Além disso, Carnot introduziu o conceito de "ciclo de Carnot", um ciclo teórico que descrevia como operar a máquina térmica mais eficiente possível.
Um fato curioso sobre Carnot é que ele nunca foi totalmente apreciado em sua época. Na verdade, ele morreu anonimamente e só anos mais tarde as suas ideias seriam plenamente reconhecidas e compreendidas.
Ele foi um visionário que, embora tenha morrido jovem, deixou uma marca que mudaria o rumo da física.
James Prescott Joule (1818-1889) – O Homem da Energia
Passemos agora a um nome conhecido: James Prescott Joule , um físico inglês que nasceu em uma família rica.
A família Joule tinha uma cervejaria, mas desde muito jovem James provou ser mais um homem de ciência do que um amante de cerveja. Ele é creditado com a famosa lei da conservação da energia, algo básico na termodinâmica.
Joule realizou experimentos nos quais demonstrou que a energia mecânica e o calor estão relacionados , ou seja, podem ser transformados um no outro. Esta descoberta levou à formulação do primeiro princípio da termodinâmica, que afirma que a energia não é criada nem destruída, apenas transformada.
Ele fez isso realizando experimentos bastante rudimentares, mas engenhosos, como o famoso experimento do moinho de água, onde mediu o calor gerado pela agitação da água usando um sistema de pesos e roldanas.
O curioso de Joule é que, apesar de ter realizado experimentos tão importantes, ele não era um cientista acadêmico formal. Joule não trabalhou em nenhuma universidade, mas foi autodidata e financiou seus próprios experimentos, chegando a construir seu próprio equipamento de laboratório.
Além disso, ele amava tanto a ciência que até mediu a temperatura da água durante as férias nos Alpes.
Rudolf Clausius (1822-1888) – O Senhor da Entropia
Outro nome essencial na história da termodinâmica é o do físico alemão Rudolf Clausius .
Devemos a Clausius o conceito de entropia , palavra que você provavelmente já ouviu nas aulas de física ou química. Ele nasceu em uma pequena cidade onde hoje é a Polônia, mas estudou em Berlim e mais tarde lecionou em universidades alemãs.
Em 1850, Clausius reformulou as ideias de Carnot e Joule, propondo o segundo princípio da termodinâmica , que diz que, em qualquer processo natural, a entropia do universo sempre aumenta. A entropia, simplesmente, é uma medida de desordem: quanto mais entropia, mais caótico é o sistema.
Clausius percebeu que embora a energia seja conservada (primeiro princípio da termodinâmica), a qualidade dessa energia muda, e há sempre alguma parte que é “perdida” como calor inutilizável.
Clausius também teve um papel importante na unificação do estudo do calor com a eletricidade e da teoria cinética dos gases. Na verdade, ele foi um dos principais defensores da teoria atômica quando ela ainda era controversa.
William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) – O Homem do Frio Extremo
Agora vamos falar de um cientista britânico que é praticamente uma lenda, William Thomson , mais conhecido como Lord Kelvin . Certamente você já ouviu falar em graus Kelvin, a unidade de medida de temperatura que leva seu nome. Bem, Lord Kelvin foi um dos maiores físicos de sua época e contribuiu muito para a termodinâmica.
Kelvin foi um dos primeiros a estabelecer uma escala absoluta de temperatura , o que hoje conhecemos como escala Kelvin. Nesta escala, o zero absoluto (-273,15ºC) é a temperatura mais baixa possível, onde as moléculas não têm energia cinética e tudo para.
Este foi um marco porque até então todas as escalas de temperatura eram relativas, como graus Celsius ou Fahrenheit.
Além disso, Kelvin trabalhou junto com Joule no famoso experimento Joule-Thomson, onde demonstraram que quando um gás se expande sem realizar trabalho, sua temperatura diminui, fenômeno fundamental para entender como resfriar gases e, portanto, criar sistemas de refrigeração modernos.
Curiosamente, Kelvin era apaixonado por cabos submarinos e ajudou a instalar o primeiro cabo telegráfico transatlântico, que permitiu a comunicação instantânea entre a Europa e a América.
Ele não era apenas um teórico, mas gostava de aplicar seus conhecimentos de física à engenharia prática e à tecnologia.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) – O estatístico dos átomos
Passemos agora a um personagem muito interessante e, para muitos, trágico: o físico austríaco Ludwig Boltzmann .
Boltzmann é conhecido como o criador da mecânica estatística , uma teoria que explica como as propriedades macroscópicas dos sistemas, como temperatura e pressão, surgem das interações de muitas partículas individuais.
Boltzmann foi um dos primeiros a defender a ideia de que a matéria é composta por átomos e moléculas, algo que hoje consideramos natural, mas que foi muito debatido em sua época.
Usando essa ideia, ele foi capaz de explicar a segunda lei da termodinâmica em termos de probabilidade: os sistemas tendem a se desordenar (aumentar sua entropia) porque as partículas são estatisticamente mais propensas a serem distribuídas de maneira desordenada do que ordenada.
Infelizmente, Boltzmann teve uma vida pessoal difícil. Apesar de suas brilhantes contribuições para a física, ele foi duramente criticado por alguns de seus colegas que não aceitavam a ideia dos átomos.
Essa pressão, junto com outros problemas pessoais, o levaram ao suicídio em 1906. Hoje, Boltzmann é lembrado como um dos pais da física moderna, e sua equação S=k⋅lnW, que relaciona entropia com probabilidade, está gravada em sua lápide.
Josiah Willard Gibbs (1839-1903) – O mestre da energia livre
O próximo da nossa lista é o americano Josiah Willard Gibbs , um cientista que foi um gênio em matemática e física, mas que viveu uma vida bastante tranquila e sem muitas excentricidades.
Gibbs não era tão famoso em sua época, em parte porque seu trabalho era muito abstrato, mas suas ideias são fundamentais para a termodinâmica e a química modernas.
Gibbs introduziu o conceito de energia livre , que é uma medida da quantidade de trabalho útil que um sistema pode realizar. A energia livre de Gibbs nos permite entender como ocorrem as reações químicas e os processos termodinâmicos. Graças a ela, os cientistas conseguiram prever quais reações seriam espontâneas e quais não.
Embora Gibbs não viajasse muito e preferisse ficar em seu laboratório em Yale, suas contribuições se espalharam pelo mundo.
Curiosamente, ele era tão modesto que quando seus colegas tentaram lhe dar um prêmio, ele se sentiu incomodado e o rejeitou. Mesmo assim, seu nome é fundamental na história da termodinâmica.