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Termodinâmica.
Transformação de energia

Energia térmica I combustão.
Efeitos da termodinâmica

Entropia

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine (Edimburgo, 5 de julho de 1820 - Glasgow, 24 de dezembro de 1872) foi um engenheiro e físico escocês. Ele tinha interesses muito diferentes; Na juventude, ele se interessou por botânica, teoria musical e teoria dos números e nos últimos anos em matemática e tecnologia.

Juntamente com Rudolf Clausius e William Thomson, ele está entre os fundadores da termodinâmica. Ele também desenvolveu a teoria por trás do motor a vapor, introduziu conceitos como energia cinética e potencial e investigou ondas de choque e fadiga de metais. Uma escala de temperatura é nomeada após William Rankine, conhecida como escala Rankine.

Vida de William John Macquorn Rankine

Rankine era filho do soldado profissional e, posteriormente, engenheiro civil David Rankine e filha da banca Barbara Grahame, de Glasgow. Ele era o segundo filho, mas seu irmão mais velho morreu em tenra idade. Devido à sua saúde precária, ele foi ensinado principalmente em casa. Ele cursou o ensino médio em Ayr e Glasgow apenas alguns anos depois que a família se mudou para lá em 1830. Em sua juventude, ele tinha um grande interesse em música e matemática. Depois de ler, aos catorze anos de idade, o maior trabalho de Isaac Newton, Principia Mathematica (1687) em latim, interessou-se pela física.

Aos dezesseis anos, em 1836, começou a estudar ciências naturais na Universidade de Edimburgo, onde ensinou, entre outras coisas, filosofia natural com James David Forbes e em história natural com Robert Jameson. Naquela época, ele também leu muitos trabalhos de filósofos do Iluminismo Escocês. Na universidade, recebeu dois prêmios por ensaios sobre métodos de pesquisa física e sobre a teoria das ondas da luz, mas não concluiu o curso.

Em 1838, ele deixou a universidade e tornou-se assistente do engenheiro civil irlandês John Benjamin MacNeill. Ele trabalhou aqui no projeto de ferrovias, construção de portos e construção de esgotos. Ao mesmo tempo, ele começou a escrever artigos que foram publicados, entre outros, pela "Instituição de Engenheiros Civis" britânica. Em 1855, foi nomeado professor de engenharia civil e engenharia mecânica na Universidade de Glasgow.

Rankine tornou-se membro da Royal Society of Edinburgh em 1849 e da Royal Society em Londres em 1853. Ele também foi membro da Royal Swedish Society of Sciences e da American American Academy of Arts and Sciences. Em 1857, ele fundou uma filial escocesa da "Instituição de Engenheiros Civis" e foi o primeiro presidente até 1870. Em 1857, Rankine recebeu um doutorado honorário do Trinity College, em Dublin.

Rakine também era um músico talentoso e tocava violoncelo, piano e cantou. Ele também escreveu poemas, publicados postumamente como obras compiladas.

Importância do trabalho de Rankine

Além de seu trabalho como engenheiro civil, Rankine fez várias contribuições para a ciência. Ele escreveu trabalhos padrão de mecânica, teoria e prática do vapor, princípios de engenharia civil e princípios de construção mecânica. Com isso, ele fez uma importante contribuição para a formalização das ciências técnicas, que na época se tornaram um exemplo nacional e internacional da Europa para a América e o Japão.

Uma característica especial de seu trabalho foi que Rankine conseguiu fechar a lacuna entre a prática de engenharia e a pesquisa científica. A ciência da época era principalmente pura e abstrata e os engenheiros desconfiavam dela. No espírito de Francis Bacon e Thomas Reid, Rankine conseguiu tornar a pesquisa científica útil para a prática. Por exemplo, ele fez uma importante contribuição para a termodinâmica com sua pesquisa científica e a construção de teorias. Também foi baseado no trabalho de Benoît Clapeyron, Sadi Carnot e JP Joule.

Pesquisa em Engenharia Mecânica

Em parte por sugestão de seu pai, que sabia muito sobre as ferrovias, Rankine inicialmente se concentrou em engenharia mecânica. Sua primeira publicação, de 1842, foi intitulada "Uma investigação experimental sobre a vantagem das rodas cilíndricas nas ferrovias". No ano seguinte, ele apresentou um artigo sobre a fadiga do metal que ocorreu nos eixos das locomotivas. Ele mostrou que as rupturas dos eixos surgiram devido à degeneração progressiva, que fadiga (fadiga mencionada). Esse fenômeno ocorreu principalmente com transições repentinas na estrutura e aconselhado a concluir essas transições.

No campo da estática, ele desenvolveu métodos para calcular a distribuição de forças nas estruturas de edifícios e realizou pesquisas sobre a estabilidade de edifícios. Ele também estudou hidrodinâmica e design de navios.

O objeto da física

Além de suas contribuições para as ciências técnicas, Rankine iniciou sua pesquisa em ciências naturais nos anos 40 do século XIX. Rankine era fascinado pelos motores a vapor desde tenra idade, que adquiriram uma nova dimensão através de seu trabalho nas ferrovias. Ele buscou leis fundamentais por meio de experimentos com processos termodinâmicos. Rankine foi ainda mais longe em seus pensamentos e filosofou sobre a natureza do universo e o objeto da física. Por exemplo, em 1852, ele declarou o que mais tarde seria chamado lei de conservação de energia:

"Evidências experimentais estão se acumulando todos os dias, ou uma lei que conjeturou que existe uma perna longa", todos os diferentes tipos de energia física no universo são mutuamente conversíveis ", que a quantidade total de energia física, seja em forma de movimento visível e força mecânica, ou de calor, luz, magnetismo, eletricidade ou agência química, ou de outras formas ainda não entendidas, são imutáveis ​​as transformações de suas diferentes partes de uma dessas formas de poder para outra, e sua transferência de uma parte da matéria para outra, constituindo os fenômenos que são objetos da física experimental ".

Rankine viu uma conexão entre todos os fenômenos físicos do movimento visível e energia mecânica, calor, luz, magnetismo, eletricidade e energia química. Mais tarde, ele resolveu a idéia da permutabilidade de todas essas formas de energia e as leis que sustentam isso em sua teoria da energia. Para tornar esse conjunto de fenômenos físicos discutível, ele apresentou uma hipótese de vértebras moleculares para descrever a estrutura molecular da matéria. O nome do ciclo de Rakine deve seu nome ao físico escocês.

Hipótese das vértebras moleculares

Uma suposição central no trabalho científico de Rankine era sua hipótese de vértebras moleculares (redemoinhos de escala molecular), também chamada de "teoria da elasticidade centrífuga". De acordo com essa hipótese, toda a matéria consistia em moléculas formadas por núcleos atômicos cercados por uma atmosfera elástica, mantida no lugar por forças atraentes. Rankine também abordou que o calor era um tipo de vibração da atmosfera que girava em torno do núcleo atômico e a luz era, de fato, uma vibração que emergia do movimento dos núcleos atômicos e se espalhava ainda mais graças à atração e repulsa mútua desses núcleos. Rankine atribuiu propriedades mecânicas à própria atmosfera. Segundo ele,

Essa hipótese ofereceu a ele um modelo para sua teoria da luz e do calor. Ele explicou a dupla refração da luz como a transferência de movimento da atmosfera para os núcleos atômicos e vice-versa. Ele também veio dessa hipótese para suas comparações de gás e calor. Ele deu outro passo e trabalhou em uma teoria geral da ação mecânica que poderia gerar calor. Ele mostrou que uma certa quantidade de calor desapareceu e chegou à sua própria formulação da segunda lei da termodinâmica. Esta hipótese não teve um papel na teoria das máquinas a vapor de Rankine, mas retornou na teoria da energia de Rankine que seria importante na indústria de usinas termelétricas e energia solar térmica.

Essa hipótese teve alguma influência na época. James Clerk Maxwell, por exemplo, usou-o em seu artigo "Sobre linhas físicas de força" de 1861. Ele assumiu que as linhas magnéticas de força em uma substância eram transportadas por um mar de vértebras moleculares, consistindo em parte de éter e em parte em matéria comum.

Teoria e efeitos da termodinâmica

De acordo com sua hipótese de vértebras moleculares em 1849, ele havia encontrado a conexão entre a pressão do vapor saturado e a temperatura. No ano seguinte, ele encontrou algumas conexões entre as quantidades de temperatura, pressão e densidade de gás e descreveu o calor latente após a evaporação de um líquido. Rankine previu corretamente que o calor específico do vapor saturado seria negativo.

Rankine fez uma importante contribuição para o entendimento elementar no campo teórico. Por exemplo, ele introduziu o nome "energia" para a quantidade física fundamental que antes era conhecida como "força vital". Ele também foi o primeiro a descrever a transferência de energia em motores a vapor, por exemplo, como uma conversão de calor em energia cinética.

Rankine declarou com base em sua própria teoria que a eficiência máxima dos motores térmicos dependeria unicamente das flutuações de temperatura a que esses motores estão sujeitos durante a operação. O prussiano Rudolf Clausius desenvolveu o processo de Carnot com base nas idéias de Rankine. O trabalho de Rankine no campo da termodinâmica foi retomado por James Clerk Maxwell.

Posteriormente, Rankine reformulou os resultados de sua própria teoria sobre os movimentos de moléculas com energia e transformação de energia. Ele alegou que a energia efetiva (energia real) nos processos dinâmicos foi perdida e substituída pela energia potencial, uma ideia que já era conhecida de alguma forma como a lei da conservação de energia há algum tempo.

Em 1859, Rankine propôs sua escala Rankine para medir temperaturas absolutas.

Energético

No artigo "Esquemas da ciência da energia" de 1855, Rankine interveio no debate científico-filosófico sobre o método dedutivo e indutivo para adquirir conhecimento e o papel da hipótese nisso. Rankine opinou que a hipótese, que ele chamou de teoria hipotética, era apenas um passo intermediário necessário para simplificar a consideração dos fenômenos. Isso permitiu chegar a uma formulação de uma teoria abstrata que pode ser postulada por indução.

Seguindo sua hipótese de vértebras moleculares e seus efeitos na termodinâmica, Rankine apresentou uma nova teoria na qual a dinâmica era tratada com base na energia e na transformação da energia em vez da força e movimento. Com isso, ele trouxe todas as forças da natureza conhecidas na época para uma teoria universal: uma teoria da lei geral, que regula todas as transformações de energia. Ele chamou isso de ciência da energia. Essa teoria foi frequentemente mencionada especialmente na segunda metade do século XIX e serviu de exemplo para mais especulações de Ernst Mach e Wilhelm Ostwald, entre outras.

Física matemática

Com contribuições para a teoria da elasticidade e das ondas, Rankine fez uma importante contribuição para o desenvolvimento da física matemática.

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Última revisão: 26 de fevereiro de 2020