Física - Termodinâmica

Termodinâmica

 

  As primeiras referências que temos sobre uma máquina térmica, no sentido mais moderno, qual seja destinada a produzir movimento, estão nos textos que nos chegaram a partir da Biblioteca de Alexandria.

Nestes textos há a referência a uma máquina de nome eolípila da autoria de um dos estudiosos da Biblioteca de nome Heron de Alexandria. Conhecida atualmente como Roda de Heron, a máquina, com formato esférico e sustentada por uma haste que passa pelo seu centro, girava em torno deste eixo.

A máquina  já englobava em sí dois princípios das máquinas modernas: o princípio do movimento pela força do vapor e o princípio do jato, ou lei da ação e reação.  Apesar de toda a surpresa que este invento possa nos causar, a máquina na época foi concebida e vista como um brinquedo.  Segundo  a visão de muitos historiadores,o hábito de escravizar os povos conquistados em batalhas impedia a visão de máquinas como um auxiliar na produção e no trabalho. Seu uso implicaria que o trabalho escravo seria inútil e portanto os escravos deveriam ser eliminados por se tornarem inúteis. E naquela visão a escravidão era vista como um ato de humanidade para com os conquistados. Cerca de 2000 anos depois, a máquina a vapor retorna para realizar a Revolução Industrial do século XIX, inicialmente na Inglaterra Vitoriana. Para que a visão sobre as máquinas como auxiliares fosse alterada neste longo caminho, foi necessário uma visão renovada de moral, inicialmente calcada na moral judaico-cristã, onde o Homem foi tomado como herdeiro do Criador, como resultado da implantação do cristianismo como uma das religiões oficiais do Império Romano pelo imperador Constantino no ano 313, pelo Édito de Milão.  A outra foi a ascensão de uma nova classe social, a burguesia, formada pelos comerciantes e artesãos que tiveram grande enriquecimento com a retomada do comercio mundial a partir do século XII, com as cruzadas.

No século XVI partir das Grandes Navegações iniciadas por portugueses e espanhóis em busca de novas rotas para o Oriente, o comércio de navegação, com as regiões do extremo oriente, voltou à ativa e as cidades europeias ligadas à produção artesanal tiveram um crescimento mais acelerado, fato que ficou conhecido como Renascimento que neste ponto de vista pode ser visto como uma secularização da moral, como componente da civilidade moderna.

E finalmente no século XVIII temos os novos valores sociais com a Revolução Francesa e a Declaração dos Direitos do Homem e do Cidadão. que marcam também a criação do Estado Moderno, e a Política contemporânea. 

Na Revolução Industrial iniciada primeiramente na Inglaterra, temos a colocação da produção industrial em patamares cada vez mais altos, criando as condições para a acumulação de capital em espirais crescentes. Os abusos resultantes do uso aberto da mão de obra na Inglaterra e em outras partes do mundo em industrialização, levou à criação de movimentos sociais feitos pelas novas classes trabalhadoras, assim como estudos teóricos dos estudiosos da época. Estes fatos e registros foram base para os novos acontecimentos que vieram no século XX, na esteira da 2ª e 3ª Revoluções Industriais, agora espalhadas pelo mundo.
A máquina da 1ª Revolução Industrial (1750-1850), a máquina a vapor, teve uma série de versões desde Thomas Savery. Ela passou por aperfeiçoamentos e alterações com Denis Papin  e Thomas Newcomen, até a máquina de James Watt criada em 1765, aproveitando dos novos materiais que estavam surgindo em função dos progressos nos vários tipos de indústria que estavam se expandindo na Inglaterra.
A locomotiva foi obra de Richard  Trevithick, em 1804 combinando os vagões existentes nas minas de carvão com a máquina a vapor de James Watt.   Esta ideia foi primeiramente proposta por Thomas Savery em 1698, mas a máquina a vapor de Newcomen que ele tinha à disposição não tinha rendimento suficiente para esta finalidade.  Watt inventou a máquina a vapor eficiente, mas não tinha capital para fazer a locomotiva. As máquinas a vapor e locomotivas inicialmente foram exportadas da Inglaterra para outros países, e em poucos anos outros países estavam produzindo e também exportando locomotivas. Cada fabricante passou a produzir locomotivas com características adequadas ao seu país e os modelos se tornaram cada vez mais diferentes. Uma comparação entre os Estados Unidos e a Inglaterra exemplifica este fato. O emprego da máquina a vapor ocorreu também nos barcos, tornando a navegação mais rápida e segura, o exemplos mais conhecidos são as barcaças a vapor com duas rodas laterais que ficaram lendárias nos filmes ambientados no século XIX retratando o ambiente americano ou europeu. No início do século XX estas máquinas a vapor se tornaram imensas e culminaram nos gigantes que tem no Titanic o seu maior exemplo. Apesar do nome retratar uma tragédia, este navio e sua classe são um exemplo notável da tecnologia a vapor, que teria continuação na era atômica após 1945.
No Brasil, a chegada da industrialização foi tardia, ocorrendo com intensidade  apenas no século XX. No século XIX a lavoura cafeeira que se desenvolveu em São Paulo,  promoveu a importação de locomotivas primeiro da Inglaterra, de onde foi trazida uma estação ferroviária inteira, a Estação da Luz. No final do século XIX as locomotivas também vieram dos Estados Unidos, incluindo o modelo Baldwin, que originou o nome próprio Balduíno.
A expansão da cultura cafeeira no século XIX no interior de  São Paulo, propiciou que a implantação de linhas ferroviárias ocorresse rapidamente, visando a escoar os grãos de café ali produzidos em direção ao porto de Santos, de onde seriam conduzidos aos principais mercados consumidores: Europa e Estados Unidos. Estas linhas ferroviárias pioneiras foram a base para a expansão posterior da malha ferroviária no Brasil.
No Rio de Janeiro, capital do Brasil até os anos 60, o imperador D. Pedro II implantou a primeira linha ferroviária (com a primeira locomotiva sendo chamada de "A Baroneza" em homenagem à esposa do Barão) destinada principalmente ao transporte de passageiros. Ali tivemos o primeiro industrial de peso, Irineu Evangelista de Souza, o Barão de Mauá, que além da ferrovia implantou várias indústrias no solo carioca, sob a égide do imperador.  Estes dois focos iniciais de industrialização (SP e RJ), serviram de suporte para a indústria pesada que seria implantada no Brasil a partir do século XX, principalmente a partir da IIª Guerra Mundial.

O nascimento da Termodinâmica

As condições criadas a partir do Renascimento em muitas partes da Europa e na Inglaterra em particular, permitiram que fosse possível trabalhar naquela  novidade que reunia atividade intelectual e atividade experimental  no que conhecemos hoje como Ciência Moderna ou Ciência Experimental.  Na França e na Inglaterra,  a criação de instituições, contemporâneas entre sí, com a visão científica arrojada, permitiu a formação, no caso da França, e a aglutinação no caso da Inglaterra, de um número de cabeças com formação intelectual para trabalhar com a nova Ciência Experimental. Na França a instituições  que permitiram este fato foram a École Polytechinique e a École Normale  e no caso da Inglaterra a Royal Society.  Na França,  a École Polytechnique  permitiu a formação de gerações de engenheiros e cientistas ilustres que vão desde engenheiros militares ao estilo Napoleão (que a tornou uma instituição militar) até engenheiros cientistas como Sadi Carnot ou físicos-matemáticos como Augustin Cauchy, Henri Poincaré   e outros. Na Inglaterra, a Royal Institution foi o ambiente ideal onde os cientistas mais importantes de cada época, desde sua fundação, puderam se reunir para discutir e avançar nas fronteiras da ciência especialmente na ciência física e seu lado experimental.  Como forma de mostrar à sociedade inglesa, que dava o suporte financeiro à instituição, a Royal Society periódicamente fazia apresentações públicas abertas, onde as pessoas da sociedade inglesa podiam ver experimentos que exibiam  de forma muito didática e até mágica, em certo sentido, o resultados das descobertas realizadas na Instituição e também nos Colleges , as universidades inglesas.  Muitos membros da Royal Society eram professores e pesquisadores nestas universidades.  Com o passar do tempo, desde sua fundação, a fama da Royal Society se ampliou, principalmente após a passagem de Isaac Newton por ela. E ser um visitante - em inglês um ‘fellow’ -  da Royal Society se tornou um título de grande notoriedade na sociedade científica inglesa.  Um dos exemplos mais famosos foi Michael Faraday, que entrou na  instituição como auxiliar de laboratório, e terminou sua vida como diretor da instituição.  Mesmo sem ter formação acadêmica tradicional, este cientista autodidata, pode realizar inúmeros experimentos e demonstrações científicas com apoio de Humphry Davy, seu chefe por ocasião do seu ingresso.   H. Davy  também diretor da instituição naquela ocasião  viu naquele jovem  uma pessoa com muitos talentos e capacidades e deu a Faraday apoio para que realizasse estudos e experimentos dentro de suas portas.

Faraday terminou a vida como o maior cientista experimental do século XIX.   Suas descobertas passam do campo da Física para a Química e viceversa, criando conceitos como a teoria do Campo,  inicialmente aproveitada por James Clerck Maxwell,(*) na formulação das leis do eletromagnetismo. A teoria do Campo, continuou rendendo frutos dentro da física e hoje é uma das bases da Física Quântica. No estudo do calor na metade do século XIX, as experiências de Faraday conduziram a descobertas que foram a base para  invenções (um exemplo: o refrigerador) e novos ramos da ciência: a Criogenia ou Estudo do Frio.  Uma série em dois capítulos da BBC – Absolute Zero (Zero Absoluto) ; o Primeiro , e o segundo, retrata esta história. Graças à atuação de Faraday, entre outros cientistas, a Termodinâmica expandiu seus domínios e colocou os pés no mundo quântico moderno ao estudar o oposto daquilo que era seu objeto  inicial de estudo: a falta de calor ou seja o frio.

No front da criação do arcabouço matemático da Termodinâmica, no século XIX, temos a presença de William Thomson, Lord Kelvin, citado em todos os livros didáticos e também uma das primeiras grandes contribuições dos cientistas americanos, na pessoa de Josiah Willard Gibbs(*), que também contribuiu na criação da nova álgebra vetorial, na virada do século XIX, no caminho aberto pelo engenheiro eletricista inglês Oliver Heaviside, usando como base o trabalho do matemático inglês(*) William Rowan Hamilton.

Os motores de combustão interna

Na sequência do primeiro motor a vapor eficiente de James Watt veio, no início do século XIX, o motor a vapor pressurizado do engenheiro britânico, Richard Trevithick, e do inventor americano Oliver Evans.

Nikolaus August Otto (1832-1891) engenheiro e inventor alemão nascido em Holzhausen an der Haide, perto de Schlangenbad,  inventou e construiu o primeiro motor de combustão interna de quatro tempos e determinou o ciclo teórico sob o qual trabalha o motor de explosão (1876), o conhecido ciclo Otto.
NO final do século XIX, o engenheiro Rudolf Diesel criou o motor que hoje leva seu nome. Ele foi adotado para equipar as os navios e locomotivas que utilizavam grandes caldeiras produzindo grandes potências e tracionando cargas imensas em terra e no mar. Nas ferrovias o motor a diesel teve que vencer a confiabilidade que as locomotivas a vapor adquiriram até o final do século XIX. E foi só após a crise de 1929 que conseguiram se tornar as principais máquinas nas ferrovias americanas.