Breve História da Termodinâmica (I): Máquinas Térmicas e a Revolução Industrial

A Brief History of Thermodynamics (I): Thermal Machines and the Industrial Revolution

Resumo

A Termodinâmica permeia nossa vida das mais variadas maneiras e o estudo da sua evolução histórica muito contribui para o seu entendimento e discussões em sala de aula. É importante conhecer o contexto histórico onde surgiram determinadas ideias e conceitos, as limitações de cada época, os saltos epistemológicos, as relações e os conflitos pessoais que limitaram ou ampliaram a troca de informações e o alcance das ideias. Normalmente é apresentada apenas uma pessoa como responsável por uma descoberta, proponente de uma teoria ou descobridora de um fenômeno, um princípio ou de uma lei da natureza, mas como veremos ao estudar a evolução das máquinas térmicas, encontramos o trabalho de muitas mãos e diversos nomes podem ser associados, com as contribuições das mais variadas. A Termodinâmica constitui um belo exemplo de uma construção coletiva, mesmo que não intencional, uma história permeada de conflitos e reviravoltas, contemplando o rompimento com tradições antigas e o vislumbre de novos tempos.

Palavras-chave:
História da Termodinâmica; Revolução Industrial; máquinas térmicas

Abstract

Thermodynamics is part of our daily life in many ways and studying its historical evolution surely contributes to its understanding and enrich discussions in the classroom. It is important to understand the historical context in which certain ideas and concepts emerged, the limitations of each era, the epistemological leaps, the relationships and personal conflicts that limited or expanded the exchange of information and the scope of ideas. Usually only one person is presented as responsible for a discover, advocating a theory or discoverer of a phenomenon, a principle or a law of nature but, as we will see, for example on thermal machines and its evolution, it is a work of many hands and several names can be listed with different contributions. Thermodynamics is an example of a remarkable collective construction, even if unintentional, its history is full of twists and conflicts, breaking old traditions and opening a new era.

keywords
History of Thermodynamics; Industrial Revolution; thermal machines

1. Introdução

A palavra Termodinâmica é formada a partir do grego therme (calor) + dynamis (poder), seria o estudo do “poder do calor”, ou ainda, o “poder do fogo”, no contexto das máquinas a vapor, pois o estudo de máquinas térmicas no séc. XIX impulsionou o desenvolvimento desta importante área da Física, tendo seu nome sido cunhado por William Thomson (Lord Kelvin), por volta de 1854 [¹]. Em Física, a “dinâmica” passou a fazer referência ao estudo do movimento e suas causas, por isso algumas pessoas são levadas a dizer que existe pouca “dinâmica” na Termodinâmica.

Deve-se ressaltar que a Termodinâmica não lida com o movimento de objetos como o faz a Mecânica, a Termodinâmica trata de interações onde ocorrem trocas de energia entre sistemas macroscópicos − interações que são mediadas por processos envolvendo calor e trabalho − e que podem resultar em mudanças de fases. Há quem associe as trocas de energia com o “movimento” da energia, por causa do sufixo “dinâmica”, porém no caso da Termodinâmica, como vimos acima, este sufixo não se refere ao movimento.

Uma máquina é um dispositivo concebido com a ideia de realizar alguma função ou um conjunto de funções que auxiliam os seres humanos em suas atividades, na produção e transformação de bens. Em linguagem técnica, podemos dizer que o propósito da máquina é realizar trabalho. As máquinas precisam de alguma fonte de energia como o vento, uma corrente de água, ou ainda, aquilo que por muito tempo era conhecido e utilizado para transformar elementos: o fogo. Seja na concepção de moinhos de vento, rodas dâ água, ou o aquecimento de ambientes (desde a Idade Antiga), era necessário aprimorar estas técnicas e compreender como utilizar os recursos da natureza. O carvão e as máquinas térmicas impulsionaram a Revolução Industrial.

A mecanização de algumas atividades permitiu aumentar a produção de determinados produtos com a mesma mão de obra empregada, e esta mecanização dependia do emprego de animais, de quedas dâ água e do uso do vento. O fogo também era utilizado em diferentes aplicações, sendo o combustível primordial a madeira, implicando no aumento do ritmo de redução de florestas, principalmente na Europa. Com o passar do tempo a madeira foi cedendo lugar ao carvão. A Grã-Bretanha tinha abundantes reservas de ferro e carvão, somando-se ao grande acúmulo de capital financeiro em função do comércio internacional e ao capital humano¹ de que dispunha, tem-se um fértil ambiente onde iniciou a Revolução Industrial, em meados do séc. XVIII.

A demanda por carvão tornava as minas cada vez mais profundas, e os alagamentos passaram a ser um problema constante. Por meio de estudos ocorrendo em diferentes épocas e locais envolvendo o vácuo, pressão atmosférica, pistões em cilindros e o emprego de vapor para mover objetos ou massas de água, através da junção destas e outras descobertas, tem-se os primórdios das máquinas térmicas na virada do séc. XVII para o séc. XVIII. Foi por esta época que se iniciou o emprego das primeiras máquinas a vapor para bombear água das minas, impulsionando a mineração, e assim, as máquinas a vapor passaram a integrar os equipamentos necessários em uma mina.

Com o aperfeiçoamento das máquinas a vapor e sua disseminação em diferentes tipos de atividades, seja na mineração, na indústria têxtil e de transformação, no próprio setor de produção de máquinas e peças de reposição, a demanda por carvão e ferro era cada vez maior. O aprimoramento das máquinas era necessário a fim de aumentar a produção usando a mesma quantidade de combustível.

O calor era estudado desde antes da Revolução Industrial, e por esta época também ocorria a Revolução Química. Assistiu-se a evolução da teoria do flogisto, e adiante embates entre a teoria do flogisto e a teoria do calórico, culminando com um paulatino abandono do flogisto. Muito posteriormente ocorreram novos embates, agora entre a teoria do calórico e a teoria dinâmica do calor, com gradual abandono do calórico. As máquinas térmicas surgiram e foram sendo aprimoradas enquanto diferentes concepções sobre o calor existiam. O grande trabalho de Sadi Carnot sobre máquinas térmicas foi concebido no contexto do calórico, mesmo com ressalvas, esta teoria sobre o calor foi uma das bases adotadas em sua obra. Além das máquinas a vapor, o uso da eletricidade levou à construção de máquinas elétricas, e com o uso cada vez maior da eletricidade, desenvolveu-se a Termoquímica, de modo que o calor passou a ser estudado de diferentes maneiras, a tal ponto que em função de novas descobertas e questionamentos, o calórico foi aos poucos tendo cada vez menos adeptos.

O estudo de diversos sistemas e a compreensão de processos envolvendo calor e trabalho levaram a descoberta do 1° princípio. Uma vez desvendada a base teórica para compreender as máquinas térmicas, foi possível construir máquinas cada vez mais eficientes, não puramente por tentativa e erro, agora alinhando teoria e experimento: a máquina opera entre dois reservatórios térmicos e realiza suas funções em ciclos por meio de uma substância de operação, e o estudo de tais processos levou ao enunciado do 2° princípio. Desvendada a natureza do calor, as relações entre calor e trabalho, a compreensão e o aprimoramento das máquinas térmicas, implicaram no desenvolvimento da Termodinâmica. O melhoramento da técnica nos processos de metalurgia, obtenção e purificação de substâncias, além dos projetos de máquinas, levaram ao desenvolvimento da Engenharia, da Química, da Física e assim por diante.

A 1^a Lei da Termodinâmica envolveu a passagem da ideia de calórico, uma substância que fluía entre os corpos, até a compreensão de fluxo de energia térmica, o calor, e o seu equivalente mecânico, além da conservação da energia. Tal lei foi desenvolvida entre 1798 e 1851 em função dos trabalhos de: Rumford (1798), Carnot (1824–1832), Marc Séguin (1839), Mayer (1842–1845), Joule (1843–1849), Colding (1840–1843), Grove (1837–1846), Karl Holtzmann (1845), Regnault (1845), Helmholtz (1847), Rankine (1849–1851), Hirn (1849–1851), Clausius (1850), Kelvin (1948–1851) e outros.

A 2^a Lei da Termodinâmica foi formulada por meio de enunciados propostos por Clausius em 1850 e Kelvin em 1851, enunciados diferentes porém complementares. Tiveram por base o esquecido trabalho de Sadi Carnot de 1824, após Clapeyron, na década de 1830, apresentar em linguagem matemática as proposições de Carnot, onde a 2^a lei de certa maneira estava “implícita”. Deste modo, há quem argumente que a 2^a Lei teria “aparecido” antes da 1^a Lei, ou estaria implícita, pois fazendo uma leitura moderna da obra de Carnot e em certos locais substituindo a palavra “calórico” por “entropia”, como sugerido por Mendoza [²], algumas passagens fariam mais sentido. A difusão da obra de Carnot deveu-se inicialmente ao trabalho de Clapeyron. O livro de Carnot foi escrito em termos do calórico, o que era normal naquela época, contudo Carnot já mostrava desconfiança acerca desta teoria. Anos mais tarde, através da leitura de seus manuscritos póstumos [², ³], percebe-se que ele abandonou tal a ideia, mostrando que se mantinha atualizado nas discussões científicas, mas sua morte prematura em 1832 o privou de vivenciar o reconhecimento que seu trabalho alcançaria entre os maiores cientistas da época. Manuscritos de Sadi Carnot foram disponibilizados ao público por volta de 1878 por seu irmão, o político Hippolyte Carnot, permitindo aos estudiosos conhecerem diversos aspectos do pensamento de Sadi Carnot.

Pode-se considerar que a partir de 1850 contempla-se o desenvolvimento de uma nova Termodinâmica, originada a partir da antiga Termodinâmica, iniciada por Carnot e Clapeyron. Esta nova Termodinâmica passaria aos poucos a contemplar o princípio da conservação da energia, o equivalente mecânico da caloria, processos cíclicos, reversibilidade/irreversibilidade e o 2° princípio, juntamente com os primeiros passos da Mecânica Estatística.

Em 1854 Clausius desenvolveu o ideia de valor de equivalência para um processo termodinâmico e assim distinguia entre processos reversíveis de irreversíveis. Em 1865 o valor de equivalência foi substituído, por Clausius, pelo conceito de entropia. Também em 1854 Rankine desenvolve a “função termodinâmica”, posteriormente identificada como a entropia.

A 3^a Lei foi proposta em 1906 por Walther Nernst [⁴], com formulações também dadas por Planck e Einstein, ajustando ainda mais o desenvolvimento de uma interpretação da entropia no âmbito da Mecânica Estatística. E a Lei Zero da Termodinâmica ironicamente acabou sendo enunciada depois das demais, em 1936 por Fowler. A forma como geralmente é apresentada atualmente baseia-se no livro de 1939 escrito por Fowler e Guggenheim [⁵]. Muito embora a noção de equilíbrio térmico e o uso de propriedades de substâncias como indicadoras de temperatura já era de uso corrente há décadas, a ideia estava implícita e fazia parte da prática, contudo, o enunciado como uma lei da Termodinâmica somente ocorreu nas primeiras décadas do séc. XX.

Neste primeiro texto vamos concentrar nossa atenção nas máquinas, nos primórdios da Revolução Industrial, nos elementos e mecanismos que compunham as primeiras máquinas térmicas e sua evolução ao longo do tempo, as colaborações e intrigas entre alguns personagens envolvidos nesta trama, o rompimento com antigas tradições e as mudanças na sociedade em função da difusão das máquinas térmicas. A própria evolução da Termodinâmica em um dado momento encontra-se intimamente relacionada às máquinas, porém a busca por uma descrição teórica abrangente sobre as mesmas impactou grandemente a Termodinâmica, a tal ponto que em dado momento esta desvencilhou-se das máquinas térmicas tornando-se uma importante área da Ciência com leis tão abrangentes que impressionaram Einstein tamanha sua generalidade, indo muito além das máquinas. A 1^a e 2^a leis da Termodinâmica serão investigadas no texto seguinte por meio do caminho preparado através do presente texto.

2. Máquinas, Revoluções e as Origens no Mundo Antigo

A 1^a Revolução Industrial ocorreu no período entre 1750 a 1840 [⁶, ⁷], iniciada na Inglaterra com os processos de mecanização e industrialização, fortemente impulsionada pelas máquinas a vapor. Inicialmente as máquinas eram empregadas para bombear água das minas de carvão e cobre, passando a equipar a indústria têxtil, o transporte de cargas e passageiros, tanto por terra quanto pela água, ocorrendo também o desenvolvimento de processos químicos e de metalurgia que contribuíam para viabilizar as transformações industriais e impulsionar as demais áreas. Neste período ocorreram inúmeras transformações sociais com intensa urbanização, conflitos, e reorganização da vida em sociedade.

É costume ao tratar de máquinas a vapor fazer-se referência às ideias de Vitrúvio (séc. I a.C.) e a Eolípila [⁸] de Heron de Alexandria (séc. I d.C.), como as primeiras ideias de aparatos rudimentares que funcionariam com vapor de água (ilustração na Fig. 1), contudo, é no séc. XVII que vamos encontrar os pilares para as máquinas a vapor que se tornarão a base da industrialização nos dois séculos seguintes.

Figura 1
Eolípila [⁸].

Entre os séculos XVI e XVIII inúmeras figuras ilustres da História deixaram grandes contribuições para as Ciências, as Artes, a Matemática, a Filosofia, etc., de tal modo que este é conhecido como o período da Revolução Científica, muito influenciada pelo Renascimento (séc. XIV a XVII) e as Grandes Navegações (séc. XV e XVI), que também abriram caminho para o Iluminismo (séc. XVIII). O séc. XVI também seria marcado pela Reforma Protestante e a Contrarreforma por parte da Igreja Católica.

No séc. XV por volta de 1439, Johannes Gutenberg (1400–1468) concebeu um sistema mecânico com tipos móveis e tinta a base de óleo, levando a disseminação da imprensa, livros e panfletos pela Europa, em função da redução dos custos e facilidade de manuseio do equipamento, tendo ainda um papel importantíssimo na Revolução Científica, colaborando para a divulgação do conhecimento, circulação de ideias e livros técnicos. Uma obra considerada um marco entre o Renascimento e a Revolução Científica é o livro publicado em 1543, De revolutionibus orbium coelestium (Sobre a rotação das esferas celestes) [⁹], de Nicolau Copérnico (1473–1543). Nesta obra foi apresentado um modelo heliocêntrico, ou melhor, heliostático, para o universo e demais características que dele decorrem, ainda carecendo de dados experimentais para suportar tais ideias, tarefa contemplada principalmente por Galileu Galilei (1564–1642) e Johannes Kepler (1571–1630). Este último trabalhando com Tycho Brahe (1546–1601) teve acesso aos melhores dados astronômicos da época, o que o permitiu, dentre várias realizações, abandonar a ideia de órbitas baseadas em círculos ou esferas (epiciclos, deferentes, etc.) e introduzir as órbitas elípticas, modificando o sistema de Copérnico e propiciando um grande salto para a Astronomia, rompendo com antigas tradições. Kepler enunciou três leis para o movimento planetário, sendo as duas primeiras em 1609 e a terceira em 1619. Em 1667 Isaac Newton (1643–1727) através de suas leis do movimento e da gravitação universal, aplicadas ao sistema solar, deduziria as leis de Kepler como consequência, fechando com chave de ouro o ciclo iniciado por Copérnico.

Galileu é tido como o primeiro cientista a apontar um telescópio para o céu, o que o permitiu realizar diversas descobertas visto que o novo instrumento mostrava um céu totalmente desconhecido para aqueles acostumados com observações a olho nu. O telescópio construído por Galileu pode ter sido baseado em descrições de um aparato inventado por holandeses, disputam o crédito na invenção alguns fabricantes de lentes como Hans Lippershey (1572–1620), que buscou patenteá-lo na Holanda em 1608 [¹⁰], Jacob Metius (aprox. 1571–1630) também teria solicitado uma patente, além de Zacharias Janssen (aprox. 1580–1638) [¹¹]. Galileu teria construído seu telescópio em 1609 e publicou os primeiros resultados de suas observações em 1610 na breve obra Sidereus Nuncius (O mensageiro das estrelas) [¹²], despertando muita curiosidade e incitando também discussões entre cientistas sobre a validade das observações com o uso do novo instrumento [¹¹]. Por outro lado, vemos o aparecimento da mecânica cartesiana com René Descartes (1596–1650) que contribuiu com diversas áreas do conhecimento, assim como podemos citar Francis Bacon (1561–1626) e sua tentativa de sistematizar um “método científico” através de indução e empirismo, com diversas críticas à Física aristotélica e aos escolásticos. Diversas mudanças estavam em curso e o rompimento com ideias do mundo antigo era inevitável.

3. Antigas Tradições, Novas Descobertas

Na esteira do rompimento com antigas tradições (basicamente a Física aristotélica e o universo ptolomaico), ainda que de modo não intencional, o estudo dos fluidos iniciou por desbancar a ideia da impossibilidade do vácuo na natureza e terminou por impulsionar as máquinas térmicas. Os atomistas Leucipo (séc. V a.C.) e Demócrito (460–375 a.C.) admitiam o vácuo, mas Aristóteles (384–322 a.C.) não, sendo este um dos maiores filósofos e tendo uma grande fama, suas ideias prevaleceram. Para Aristóteles o vácuo era uma impossibilidade lógica, apresentou argumentos [¹³, ¹⁴] para sustentar suas ideias e posteriormente tal proposição adquiriu o status de “princípio”. No período medieval, escolásticos introduziram o termo em Latim horror vacui para expressar a ideia aristotélica de que a natureza preencheria o espaço (plenismo) impossibilitando a existência de um vácuo. Este princípio explicava de forma satisfatória fenômenos e observações do dia a dia, como por exemplo, o funcionamento de um sifão, usado para retirar água de poços desde a antiguidade. Assim como os tomistas que discordavam de Aristóteles, encontra-se em cada época algum estudioso crítico ao horror vacui – dentre outras ideias – contudo, tal princípio seguia sendo tido como válido ao longo dos séculos.

Já no séc. XVII, Galileu de certo modo reafirmou este princípio ao receber uma carta de Giovanni Battista Baliani (1582–1666), em 1630, buscando uma explicação ao que observara, relatando a Galileu que um sifão colocado no alto de uma colina, contendo uma coluna de 21 m, não conseguia bombear água. Baliani logo percebeu que não era possível elevar água mais do que 18 braccia (em torno de 10 metros)[¹⁵, ¹⁶, ¹⁷], por mais ar que retirasse do duto de sucção². Galileu pensava em uma certa resistência ao vácuo, mas que seria limitada, ao tentar uma explicação para a observação de Baliani. Galileu, possivelmente influenciado por Santorio Santori (1561â 1636) inventor do termômetro e que acreditava que o ar tinha “peso” [¹⁸], buscou medir o “peso” do ar³ [¹⁷, ¹⁹] e também dizia que a altura máxima de uma coluna de líquido era inversamente proporcional ao peso específico do líquido usado. Seus amigos e colaboradores realizaram nos anos seguintes diversas experiências, com água, vinho, óleo e passaram considerar a possibilidade de se obter o vácuo. Galileu veio a falecer em 1642 e não pode acompanhar o desenrolar desta história.

Dentre os admiradores e colaboradores de Galileu podemos citar Giovanni Battista Baliani (1582–1666), Rafael Magiotti (1597–1658), Evangelista Torricelli (1608–1647), Gasparo Berti (1600–1643), Vincenzo Viviani (1622–1703) entre outros. Torricelli a convite de Galileu, mudou-se para Florença em 1641, contudo tal colaboração durou pouco, visto que Galileu veio a falecer em janeiro de 1642. Torricelli também interagiu com René Descartes (1596–1650), que era partidário da não existência do vácuo. Gasparo Berti realizou experimentos entre 1639 e 1644, inicialmente com um tubo de chumbo com cerca de 11 metros de altura cheio de água e selado nas extremidades, sendo uma delas mergulhada em um recipiente com água. Ao abrir a extremidade inferior, um pouco de água descia do tubo, permanecendo água até uma altura aproximada de 10 m. O que ocorreu na parte superior do tubo? Como o tubo era fechado na parte de cima, ao descer um pouco o nível de água, o que estaria ocupando o espaço deixado pela água? Poderia ali ter–se formado um vácuo? Estas questões seguiram por muito tempo, com diversas sugestões de respostas. Uma variante do experimento foi feita conectando o tubo a uma cabeça de vidro também preenchida com água, podendo ainda ter um sino em seu interior, e a parte inferior do tubo conectada a uma torneira mantida num recipiente cheio de água (Fig. 2, [²⁰]). Ao abrir a torneira na parte de baixo do tubo, que também ficava submersa, Berti e seus amigos observaram novamente que uma pequena parte da água ia para o recipiente, o restante mantinha-se no tubo. Acreditava-se que o som não devia se propagar no vácuo, portanto, o sino poderia indicar a existência ou não do vácuo na cabeça de vidro.

Figura 2
Ilustração de um dos aparatos de Berti [²⁰].

Contudo, pelo fato do sino estar preso na estrutura do aparato o som ainda poderia ser ouvido, ao que tal recurso não seria muito confiável. Enquanto isso, seguiam-se os embates sobre a existência ou não do vácuo na natureza. É árduo o caminho para romper com antigas tradições.

Experimentos eram realizados com diferentes substâncias, água, vinho, óleo, etc., mas uma em particular passou a receber atenção, o mercúrio, por ser muito mais denso do que a água, e considerando a ideia defendida por Galileu de que a altura do líquido no tubo seria inversamente proporcional ao peso específico do líquido, um experimento com mercúrio necessitaria de um tubo menor, tal que o mesmo poderia ser feito de vidro. Não está claro se a ideia de realizar um experimento com mercúrio partiu de Galileu, de Descartes ou do próprio Torricelli, contudo, conta-se [²¹] que Torricelli teria sugerido um experimento com mercúrio e ainda previsto que a altura da coluna de mercúrio poderia variar com a altitude. Torricelli também trocava cartas com Michelangelo Ricci (1619–1692) onde é possível perceber as tentativas de ambos em buscar explicações para as observações de alguns experimentos, e como a discussão sobre a possibilidade do vácuo seguia perturbando algumas mentes. Torricelli acreditava que estávamos imersos no fundo de um oceano de ar e que tal elemento tinha “peso”, sendo o ar mais denso próximo da superfície da Terra [²²]. Um amigo de Torricelli, Vincenzo Viviani pode ter realizado entre 1644 e 1645 uma parte do experimento com mercúrio comentado por Torricelli, mas infelizmente, apenas após a morte de Torricelli é que o experimento em diferentes altitudes veio a ocorrer. Outros pesquisadores também realizaram experimentos por esta época utilizando mercúrio e um tubo de vidro fechado em uma das extremidades, tal tubo passou a ser chamado por alguns de tubo torricelliano.

Os experimentos com mercúrio eram realizados em tubos que variavam de 90 cm a 120 cm, fechados em uma das extremidades. O tubo era completamente preenchido com mercúrio através da outra extremidade, em seguida com um dedo tapava-se o tubo e o mesmo era virado e imerso num recipiente também com mercúrio. Fixado o tubo e soltando o dedo da extremidade, um pouco de mercúrio descia e ocupava o recipiente na base do tubo, estabilizando com uma coluna de mercúrio com menos de 80 cm. Na parte de cima, que era fechada, ao descer o nível de mercúrio, ficava visível pelo vidro um espaço sem o líquido, espaço este que suscitou diversas discussões ao longo dos anos. Havia sido formado um vácuo? O espaço era preenchido por um éter? Era preenchido por ar que poderia atravessar o vidro? Ou era o ar dissolvido no mercúrio que ocupava aquele espaço? O que sustenta a coluna de mercúrio no tubo? Era a natureza tentando impedir o vácuo, que segurava a coluna de mercúrio, ou era o “peso” do ar, ou a pressão atmosférica sobre o mercúrio no recipiente inferior? Eram muitas as questões. Ressalta-se que de maneira análoga, as observações de Galileu utilizando um telescópio também foram controversas entre os pesquisadores da época, nem todo mundo aceitava aquelas observações, poderiam ser fruto de defeitos nas lentes, nem sequer era conhecido o princípio de funcionamento do telescópio e se os efeitos de ampliação para observações terrestres teriam validade ou ocorreriam de forma análoga para observações celestes⁴.

Torricelli veio a falecer em 1647 e o experimento com um tubo de mercúrio em diferentes altitudes veio a ser realizado em 1648. Blaise Pascal (1623–1662) convenceu seu cunhado, Florin Périer, que vivia em Clermont perto de uma grande montanha chamada Puy-de-Dôme, a subir a montanha e realizar o experimento com um tubo torricelliano. O equipamento foi montado em diferentes altitudes e acompanhado de testemunhas [²³]. A ideia de Pascal seria determinar se a coluna de mercúrio iria diminuir ou aumentar de tamanho com a altitude. Caso diminuísse seria uma indicação que a pressão atmosférica seria a responsável por equilibrar o líquido. Se o tamanho da coluna de mercúrio aumentasse com a altitude (sabia-se que o ar fica cada vez mais rarefeito), este poderia ser uma indicação que a “força do vácuo” é que puxava o líquido, sustentando-o, pois neste caso a ideia de um horror vacui, ainda que limitado, prevaleceria. Foi com grande entusiasmo que Pascal recebeu os resultados do experimento, publicados no Récit de la grande experiénce de lâ équilibre des liqueurs [²⁴], contribuindo para os estudos de fluidos e a pressão atmosférica, fornecendo novos elementos para o debate sobre a possibilidade ou não de um vácuo na natureza. A altura da coluna de mercúrio diminuía com a altitude! Apesar da ideia do vácuo ganhar cada vez mais adeptos, tal visão não era consenso entre os cientistas. Aos poucos o tubo torricelliano passou a ser usado para medir a pressão atmosférica, recebendo posteriormente, por volta de 1664 17, o nome de barômetro.

Provavelmente por causa da citada previsão que teria feito Torricelli, alguns autores passaram a propagar que o primeiro vácuo teria sido produzido por ele, inclusive é possível encontrar livros que narram o experimento em diferentes altitudes como tendo sido realizado por Torricelli, contudo, isto ocorreu após a sua morte. Torricelli é parte importante desta história, mas como vimos, há uma grande quantidade de pessoas envolvidas na construção do conhecimento e simplificações da história em nada ajudam, apenas prolongam os mitos históricos.

4. O Vácuo é Possível!

Um novo e importante capítulo na história do vácuo ocorre em 1654 em Magdeburg. Enquanto alguns experimentos eram realizados com sifões, um cientista e político alemão inventou uma bomba de ar, mais precisamente uma bomba de sucção de ar (hoje chamada de bomba de vácuo, mostrada na Fig. 3, [²⁵]). Otto von Guericke (1602–1686) realizou em Magdeburg em 1654 uma demonstração pública do poder da pressão atmosférica, através dos “hemisférios de Magdeburg”, como ficaram conhecidos.

Figura 3
Hemisférios de Magdeburg e bomba de vácuo originais (Deutsches Museum, Alemanha) [²⁵].

Depois de algumas tentativas, com os hemisféricos devidamente construídos e alinhados, formando uma esfera, após remover o ar em seu interior, pela bomba criada por Guericke, os hemisférios conseguiam suportar diversos cavalos puxando-os em direções opostas. Tal experimento somou-se a outros que colocavam em dúvida a ideia do horror vacui, de que era impossível o vácuo na natureza.

Guericke também demonstrou que quando se removia o ar em um cilindro de grandes dimensões contendo um êmbolo, alguns homens não conseguiam segurar o êmbolo, que se movia para o fundo do cilindro [²⁶]. A ideia do vácuo e de uma pressão exercida pela atmosfera ganhava ainda mais adeptos. Em correspondência com Gaspar Schott (1608–1666), professor em Würzburg, Guericke teve suas descobertas publicadas no apêndice do livro de Schott, Mechanica Hidráulico-pneumatística (Fig. 4), publicado em Latim em 1657 [²⁷].

Figura 4
Página do livro de Gaspar Schott (1657) [²⁷] sobre o experimento de Guericke.

Possivelmente o livro de Schott tenha sido lido por Robert Boyle (1627–1691) em Oxford, que trabalhando com seu assistente Robert Hooke (1653–1703), buscou melhorar o aparato de Guericke, construindo uma “máquina pneumática” utilizada em diversos estudos, resultando em uma publicação de 1660, New Experiments Physico-Mechanical, Touching the Spring of the Air, and its Effects. Na segunda edição do seu livro, publicada em 1662, Boyle apresenta o que hoje chamamos de lei de Boyle para um gás ideal, onde o primeiro gás amplamente estudado foi o ar. Desenvolvendo-se cada vez mais a ideia de vácuo, pressão atmosférica, o estudo de comportamento de gases e o uso de êmbolos com pistões, chegamos a outro colaborador de Boyle com importantes inventos.

Em 1679 Denis Papin (1647–1713) criou o Digestor de Vapor também conhecido como Marmita de Papin, precursor do Autoclave, da panela de pressão e ainda, da máquina a vapor. Papin trabalhou com Christiaan Huygens (1629–1695) e Gottfried Leibniz (1666–1716) quando Leibniz esteve em Paris. Posteriormente Papin viveu em Londres onde trabalhou com Robert Boyle entre 1676 e 1679, quando inventou o Digestor de Vapor com uma válvula de segurança e o apresentou para a Royal Society, fundada poucos anos antes e da qual passou a ser membro⁵. Papin, um huguenote (protestante francês), assim como diversos outros protestantes tiveram que deixar a França em função da política religiosa de Luis XIV, cada vez mais restritiva e que culminou com a revogação do Edito de Nantes em 1685, dificultando ainda mais a vida dos protestantes franceses. Além da Inglaterra, Papin também viveu na Alemanha, em função da presença de luteranos o ambiente para protestantes era melhor do que na França, e neste período Papin seguia interagindo com Leibniz.

Há relatos de experimentos na Inglaterra onde vapor de água conseguia empurrar água em dutos [²⁸]. Trabalhando com Boyle, Papin deve ter tido contato com tais descrições, somam-se a isso os experimentos que eram realizados com cilindros, êmbolos e pistões a partir das descobertas de Guericke, onde um cilindro contendo um pistão e tendo o ar parcialmente removido de seu interior conseguia suspender objetos através de uma polia. Nesta época experimentos envolvendo vácuo e vapor de água eram realizados em diversos lugares. Huygens desenvolveu um aparato que utilizava pólvora para expelir o ar e criar um vácuo para mover um pistão [²⁶]. Papin que era assistente de Huygens e foi trabalhar com Boyle usou um equipamento similar, mas logo perceberam que usar pólvora não era prático. Papin adaptou tal esquema usando vapor de água, uma vez aquecida a água o vapor empurrava o êmbolo. Após o sistema ser resfriado, a redução da pressão do vapor era tal que a atmosfera empurrava o êmbolo para a posição anterior e assim no retorno do êmbolo era possível elevar algum objeto [²⁸].

Em função do consumo cada vez maior de carvão e demais minérios as minas ficavam mais profundas e por vezes acabavam inundadas durante das escavações. Sabia-se que utilizando sucção era possível elevar a água a uma altura em torno de 10 m, o que tornava a drenagem muito limitada. A ideia de utilizar vapor de água para empurrar água para fora das minas parecia ser promissora, de modo que diversas tentativas foram feitas a fim de se alcançar tal objetivo. Relata-se que Edward Somerset (1603–1667) o 2° Marques de Worcester, Samuel Morland (1625–1695) dentre outros, teriam propostas de “máquinas de fogo” para bombear água [²⁸, ²⁹].

5. A Era das Máquinas

Foi no final do séc. XVII que as pesquisas de Denis Papin e o conhecimento prático de Thomas Savery (1650–1715), um engenheiro militar, encontraram importante aplicação nas minas. Savery patenteou em 1698 uma máquina a vapor, após demonstrar o funcionamento de uma “máquina de fogo” para elevar água, perante o rei William III. Esta foi a primeira máquina a vapor comercial para bombear água. Em 1699 apresentou um modelo para a Royal Society, demonstrando seu funcionamento, apresentando esquemas e especificações da máquina [²⁹]. Em 1702 Savery publicou um pequeno livro com instruções sobre o funcionamento da máquina com o título: The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire (O amigo do mineiro; ou, Uma máquina para elevar água através do fogo) [³⁰]. Há suspeitas de que Savery tenha copiado o design de Edward Somerset para uma bomba dâ água [²⁶, ²⁸]. Papin apresentou o seu modelo de máquina posteriormente em 1707, na obra Nouvelle manière pour lever l’eau par la force du feu (Nova maneira de elevar a água por meio da força do fogo) [³¹], naquele momento além de Savery ter uma patente na Inglaterra, seu equipamento já vinha sendo adotado há algum tempo. Papin por esta época também não contaria com apoio da Royal Society que desde 1703 era presidida por Isaac Newton (1642–1726), grande adversário de Leibniz com o qual Papin trabalhava na Alemanha. Robert Boyle, amigo e colaborador de Papin falecera em 1691, portanto, Papin não tinha mais um amigo influente no meio científico inglês que pudesse divulgar e levar adiante o seu trabalho.

A máquina de Savery passou a equipar minas, porém, dado o seu alto consumo de carvão, máquinas maiores não eram economicamente viáveis em qualquer mina, deste modo, máquinas menores funcionavam melhor do que máquinas maiores. Um conjunto de válvulas deveriam ser operadas para controlar a entrada e saída de água, assim como a entrada e saída de vapor, e um cilindro-caldeira era aquecido e resfriado, tal que por vezes a pressão poderia causar uma explosão, podendo ceifar vidas e deixando a mina inoperante por algum tempo. Deste modo, tentativas foram lançadas para melhorar a segurança dos trabalhadores e facilitar a operação da máquina de Savery. Um destes exemplos ocorreu após a morte de Savery em 1715, quando foi apresentada uma máquina de Savery modificada, em 1718, por John T. Desaguliers (1683–1744) e que incluída uma válvula de segurança criada por Papin [²⁹].

No entanto, em 1712 Thomas Newcomen (1664–1729) apresentou sua máquina combinando ideias de Savery e Papin, também chamada de máquina atmosférica. Era uma máquina de Savery modificada e que incluía um cilindro com pistão (devido a Papin), que tornava a máquina um pouco mais eficiente em algumas situações. Todavia, como vimos, em 1698 Savery tinha obtido uma patente por 14 anos, contudo, em 1699 a patente foi estendida por mais 21 anos, durando até 1733 [²⁹]. Como Savery faleceu em 1715, sócios mantiveram os negócios e a patente concedida a Savery, bastante ampla em sua descrição, dificultou a vida comercial de Newcomen, tendo que trabalhar em conjunto com os sócios de Savery. Até 1733, cerca de 100 máquinas tinham sido construídas na Inglaterra [²⁹].

Diversas máquinas de Savery e Newcomen foram instaladas pelo engenheiro John Smeaton (1724–1792). Smeaton cunhou o termo “engenharia civil” para a distinguir da “engenharia militar”, intitulou-se “engenheiro civil” e assim, é chamado de pai da Engenharia Civil. Trabalhou em projetos de portos, drenagem, pontes, ficando muito famoso pela construção do Farol de Eddystone, descobrindo uma argamassa para construção subaquática com propriedade hidráulica. Smeaton também realizou melhorias em máquinas. Interessante notar que Smeaton publicou no Philosophical Transactions of the Royal Society of London em 1751 [³²] a descrição de um mecanismo para automatizar a máquina de Savery, criado pelo português Bento de Moura Portugal⁶ (1702–1776) [³³, ³⁴, ³⁵], que também foi membro da Royal Society. Outros tipos de modificações nas máquinas de Savery e Newcomen foram realizados ao longo do tempo por diversas pessoas, até aparecer um novo e revolucionário equipamento.

Em 1763 um modelo de máquina de Newcomen, usado em demonstrações didáticas, precisava de reparos e foi solicitado o trabalho de um jovem talentoso chamado James Watt (1736–1819) [³⁶]. Watt trabalhava em uma oficina na Universidade de Glasgow, era amigo de alguns professores, fazia reparos, fabricava instrumentos científicos, e por vezes ajudava em demonstrações durante as aulas. Alguns anos antes, Watt realizou experimentos com vapor, usando um digestor de Papin, mas não teve muito sucesso e deixou os experimentos de lado. Trabalhando na oficina na Universidade e tendo contato com um modelo de máquina de Newcomen em pequena escala, ao finalizar o conserto Watt percebeu que a máquina deixava de funcionar após algumas operações. Realizando experimentos a fim de melhor compreender a máquina, percebeu que grande parte do calor necessário para aquecer a água era perdido no processo de resfriamento do cilindro. Seguindo em seus experimentos e melhor entendendo o aparato, anos depois teve a ideia de separar o processo de resfriamento e resfriar o vapor em outro local da máquina, criando o condensador [³⁶]. Esta modificação mantinha um reservatório frio e outro sempre aquecido, não necessitando um mesmo reservatório ser resfriado e aquecido novamente, o que representava economia de carvão. Separando o processo de aquecimento do processo de resfriamento, resultava em economia, tornando a máquina mais eficiente.

Os experimentos levaram tempo e a fabricação de peças era custosa, ainda muito artesanal. Construir um modelo de máquina em grande escala para testes demandaria ainda mais dinheiro, o qual Watt não possuía. Conseguiu um patrocínio com John Roebuck (1718–1794) que também adquiria patentes, porém mais tarde Roebuck entrou em falência e Matthew Boulton (1728–1809) dono da Soho Manufactory adquiriu propriedades e patentes de Roebuck. Boulton entrou em sociedade com Watt, criaram a Boulton & Watt em 1775 [³⁷, p. 171] e assim, após muitos anos Watt teve acesso a fundos e maquinário⁷ para finalizar o projeto de sua máquina.

Esta época também coincide com diversas criações que ampliavam a produção em inúmeras áreas através da mecanização⁸ de atividades, a usinagem, criação de máquina operatriz e diversos tipos de peças, e um importante invento viria a suprir uma das necessidades de Watt, que requeria grandes cilindros feitos com precisão para manter os pistões firmes [³⁸, p. 588]. Em 1774 John Wilkinson (1728–1808) inventara a máquina operatriz alesadora [³⁷, p. 171], que futuramente viria a viabilizar a produção de cilindros para a Boulton & Watt. Registrada a patente para a máquina de Watt em 1775, já em 1776 foi instalada a primeira máquina comercial de Watt para bombear água de uma mina. Inicialmente as peças eram fabricadas por outras empresas de acordo com as especificações de Watt, e a Boulton & Watt realizava a montagem da máquina. Quando substituíam uma máquina de Newcomen pela máquina de Watt, cobravam-se royalties pelo carvão economizado ao utilizar a nova máquina.

Durante o processo de mecanização de diversas atividades ao longo da Revolução Industrial, alguns mecanismos necessitavam de um movimento circular, e a máquina de Watt através de um pistão realizava um movimento linear. Por sugestão de Boulton a Watt a fim de integrar as máquinas a vapor aos equipamentos usados em diversas empresas além das mineradoras, era necessário adaptar o movimento linear do pistão para um movimento circular, o que também acabaria por permitir que algumas fábricas pudessem ser instaladas longe de rios, provocando mais tarde uma transformação em cidades do interior. Esta adaptação poderia ser realizada através do mecanismo de biela-manivela, contudo, o mesmo era patenteado por James Pickard e seus sócios (a patente expiraria somente em 1794 [³⁷]). Ao invés de fazer um acordo com Pickard, Watt e o funcionário William Murdoch criaram o sistema de engrenagens sol e planeta, em 1781. Ao longo dos anos, diversos mecanismos e melhoramentos foram introduzidos na máquina a vapor, melhorando a eficiência e a segurança, um dos exemplos, através da criação do regulador centrífugo, patenteado em 1788. As máquinas de Watt aos poucos passaram a substituir as máquinas anteriores e impulsionaram o processo de industrialização, compondo a industria têxtil, moinhos, a fabricação de peças e ferramentas, máquinas para serrar madeira, além da fabricação de elementos de corte, não apenas de madeira mas também de metais.

Um invento chegou a ser mantido em segredo por décadas, o indicador, que permitia desenhar o diagrama indicador, desenvolvido por volta de 1796 [³⁹, ⁴⁰, ⁴¹] por Watt e John Southern (1758–1815) um funcionário. Watt buscava um meio de saber o que ocorria com o vapor dentro da máquina e aos poucos aperfeiçoava os manômetros a fim de realizar melhores ajustes no funcionamento das mesmas. Southern foi de vital importância no aperfeiçoamento do aparato que passou a mostrar dados de pressão e volume. O diagrama era desenhado num papel fixado a um quadro que se movia de acordo com o movimento de um pistão, indicando o volume, e um lápis conectado a um manômetro indicando a pressão, traçando uma curva no papel, o que hoje conhecemos como um gráfico P×V, pressão vs. volume.

Percebeu-se que o diagrama estaria relacionado com a performance das máquinas (Watt chamava de duty, o que mais tarde passou a ser chamado de work = trabalho), e assim, este esquema era utilizado para realizar ajustes e melhorar o desempenho das máquinas de Watt por meio de tentativa e erro. Foi apenas por volta de 1822 que o indicador e o diagrama foram parcialmente tornados públicos [⁴¹, p. 177], [⁴², p. 215]. Veremos em momento oportuno que este diagrama prestaria um grande serviço ao mundo científico, em especial à Termodinâmica, ao ser utilizado por Clapeyron em 1834 [⁴³] para descrever e chamar a atenção para o importante trabalho de Sadi Carnot, apresentando ao mundo o que viria a ser chamado de ciclo de Carnot. A Fig. 5, [⁴²] é uma foto mostrando uma estátua de James Watt no Watt Memorial Engineering and Navigation School, de 1908. Na mão direita é possível perceber que Watt segura um indicador. Hoje sabemos que no diagrama indicador de Watt e Southern, o gráfico P×V, a área interna em um processo cíclico está relacionada ao módulo do trabalho realizado durante o ciclo.

Figura 5
Estátua de Watt segurando o equipamento conhecido como indicador [⁴²].

Máquinas a vapor aos poucos substituíam a tração animal, então, era necessário quantificar a capacidade de uma máquina comparando com a atuação de cavalos. Savery em sua publicação de 1702 [³⁰], na pág. 26, comentou sobre tarefas realizadas por cavalos trabalhando em conjunto sendo equiparados ao que poderia realizar uma máquina a vapor, e ainda, o equivalente aos cavalos que seriam necessários para movimentar um aparato o dia todo, sem contudo apresentar números, mas a ideia foi lançada. Para quantificar o efeito mecânico que um cavalo poderia realizar, o mesmo era posto a elevar uma certa massa, puxando-a por uma polia, a uma certa altura durante um certo intervalo de tempo. John Smeaton estimou que o efeito mecânico de um cavalo seria equivalente⁹ a 22.916 ft⋅lbf/min (517,83 W em unidades modernas). John Desaguliers sugeriu o valor de 27.500 ft⋅lbf/min (621,42 W). James Watt obteve em 1782 o valor de 32.400 ft⋅lbf/min [³⁷, p. 171]. No ano seguinte Watt e Boulton padronizaram o valor arredondado de 33.000 ft⋅lbf/min (745,70 W), para facilitar as contas, e assim, ao instalar sua máquina substituindo cavalos, poderiam quantificar o efeito da máquina para contabilizar os royalties. Em 1809 este valor já era aceito como o equivalente a 1 hp (horse-power = cavalo-força) [³⁷, p. 172]. O valor 33.000 ft⋅lbf/min pode ser escrito, considerando que 1 min = 60 s, como: 550 ft⋅lbf/s, assim: 1 hp = 33.000 ft⋅lbf/min = 550 ft⋅lbf/s, isto é, o efeito de elevar a massa 550 lb na altura de 1 ft em 1 s (ou o equivalente a elevar cerca de 76,04 kg por 1 metro em 1 s, 76,04 kgf⋅m/s ou 745,69987 W). Os alemães e franceses, usando o sistema métrico de unidades escolheram valores arredondados convenientes para este sistema, assim definiu-se o cheval-vapeur (cv, cavalo-vapor, em francês) e Pferdestärke (PS, cavalo-força em alemão, 1 PS = 1 cv, em língua inglesa seria horse-strength para diferenciar do horse-power), a partir de uma massa de 75 kg sendo elevada a 1 m em 1 s, isto é¹⁰, 1 cv = 75 kilogram-metres/s = 75 kp⋅m/s (ou seja, 75 kgf⋅m/s = 735,49875 W), deste modo, 1 cv = 0,98632 hp.

6. Uma Nova Era: Vapor em Alta Pressão e as Locomotivas

As máquinas a vapor de modo geral trabalham com pressões próximas da pressão atmosférica e também eram chamadas de máquinas de baixa pressão. Algumas pessoas começaram a estudar o emprego de vapor em altas pressões, porém as técnicas de fabricação de peças e a metalurgia ainda eram grandes limitantes para este tipo de máquina. A ideia de usar alta pressão era reduzir o tamanho das máquinas e alguns engenheiros também buscavam construir máquinas sem o condensador para que pudessem não se enquadrar na patente da Boulton & Watt, o que significaria não pagar royalties.

Em 1800 encerra a vigência da patente para máquinas térmicas da Boulton & Watt abrindo caminho para novos equipamentos. Na Inglaterra, Richard Trevithick (1771–1833) após construir alguns modelos de máquinas de alta pressão, apresentou em 1801 uma locomotiva a vapor, chamada Puffing Devil (Diabo Fumegante) [⁴⁴, ⁴⁵], transportando seis passageiros. Nos EUA, Oliver Evans (1755–1819) defendia o uso do vapor em alta pressão e apresentou seu modelo por volta de 1803.

Em 1802 Trevithick obteve na Inglaterra uma patente para a sua máquina a vapor de alta pressão [⁴⁴, ⁴⁶]. Em 1803 uma de suas máquinas usadas para bombear água em Greenwich explodiu, causando a morte de quatro pessoas. Este incidente foi explorado por Watt e Boulton que defendiam as máquinas de baixa pressão, dizendo que máquinas de alta pressão eram perigosas e não deveriam ser construídas. Trevithick desenvolveu outros projetos, como a locomotiva Pen-y-Darren[⁴⁷] em 1802 (Fig. 6), a London Steam Carriage em 1803, e a locomotiva Catch Me Who Can (Alcance-me Quem Puder) em 1808 [⁴⁴], aperfeiçoando os modelos com a ideia de ter uma locomotiva a vapor funcional para cargas e passageiros. Nas minas utilizavam-se vagões que corriam sobre trilhos e eram puxados por cavalos.

Figura 6
Reconstrução da locomotiva Pen-y-Darren (1802) de Richard Trevithick [⁴⁷].

Algumas tentativas de Trevithick de puxar os vagões com uma locomotiva vieram a falhar pois os trilhos não aguentavam a locomotiva. Seria ainda necessário melhorar o processo de fabricação dos trilhos para suportar máquinas deste porte. Percebeu-se também que estas máquinas apresentavam um melhor rendimento quando comparadas com as máquinas de baixa pressão [⁴⁸].

As máquinas de alta pressão passaram a ser necessárias para bombear água em minas localizadas em altitudes elevadas. Em função da altitude implicando na redução da pressão atmosférica, as máquinas de Watt não operavam adequadamente nestes locais. Trevithick esteve na América do Sul [⁴⁹] trabalhando com suas máquinas em alguns locais. Também era engenheiro de minas e tentou empreender administrando uma mina de prata que adquiriu no Peru, porém, as guerras de independência dificultaram sua permanência, estes e outros contratempos o fizeram voltar para a Europa em 1827 com os bolsos vazios. Era um bom engenheiro, mas não se deu bem no mundo dos negócios, tanto na Europa quanto na América do Sul. Seguiu trabalhando em alguns projetos até sua morte em 1833. Enquanto esteve fora da Inglaterra outros engenheiros seguiam desenvolvendo técnicas para melhorar os trilhos, projetar máquinas e locomotivas através do caminho aberto por Trevithick para máquinas de alta pressão. Dentre tais pessoas destacou-se George Stephenson (1781–1848) que apresentou a Locomotion No. 1 em 1825 [⁵⁰] transportando carga e passageiros na primeira linha férrea pública do mundo. A primeira ferrovia do mundo a conectar duas cidades foi inaugurada em 1830, ligando Liverpool e Manchester, fazendo um transporte intermunicipal de cargas e passageiros. Foi projetada e construída pela empresa de Stephenson e foi o ponto de partida para diversas outras estradas de ferro ao longo do Reino Unido, consolidando a fama de Stephenson, que é conhecido como o pai das ferrovias.

As máquinas a vapor passaram de simples sistemas de bombeamento de água em minas a motores do desenvolvimento industrial e urbano, a substituir rodas dâ água e tração animal, equipar revolucionários sistemas urbanos de bombeamento para distribuição de água potável nas casas melhorando a qualidade de vida, movimentar barcos e locomotivas, ampliando o transporte de cargas e passageiros, permitindo deslocamentos mais rápidos, além da instalação de novas fábricas e indústrias longe dos rios, abrindo as portas do desenvolvimento para novas cidades do interior.

7. Fim da Parte I

Como vimos até aqui, diversas máquinas térmicas foram construídas e aperfeiçoadas através de conhecimentos práticos, experimentos, tentativa e erro, ao longo de diferentes concepções sobre a natureza do calor, sem contudo existir um arcabouço teórico abrangente que pudesse descrever os fenômenos envolvidos e apontar caminhos.

Vislumbramos um pouco da rica história envolvendo os primórdios das máquinas térmicas e também encontramos diversos personagens da História da Ciência, alguns ainda pouco conhecidos nos livros didáticos, enquanto outros são citados em alguns contextos. Galileu, por exemplo, é conhecido nos livros de Mecânica, porém pouco se encontra sobre o mesmo e seus colaboradores quando se trata sobre Fluidos.

Os estudos sobre máquinas térmicas muitas vezes abordam diretamente a “máquina de Carnot”, o “ciclo de Carnot”, trabalho e eficiência, contudo como vimos, foi longo o caminho até o emprego prático de uma máquina a vapor, desde as indagações e investigações sobre a possibilidade do vácuo até a máquina de Savery, passando por inúmeros aperfeiçoamentos até chegar na máquina de Watt, e posteriormente nas máquinas de alta pressão. Além de uma rica história, conhecer estes elementos enriquecem as discussões em sala de aula, tanto em função da construção do conhecimento, das trocas, disputas, impactos na sociedade e demais elementos envolvidos nesta trama, como também o conhecimento acerca da evolução das máquinas e as concepções utilizadas em suas construções. Estes elementos em nossa opinião tornam a aprendizagem mais efetiva, pois o contexto histórico ajuda-nos a entender algumas proposições e relações estabelecidas, as ideias que nortearam certas investigações e descobertas, a evolução do pensamento físico, os triunfos e fracassos da atividade humana, para além de simplesmente apresentar a teoria básica que descreve as máquinas térmicas, diagramas, cálculo de trabalho e eficiência, e então partir para algo ainda mais abstrato como a entropia.

A necessidade de uma descrição teórica e a procura pela maior eficiência das máquinas térmicas através de uma descrição geral, levou ao desenvolvimento da Termodinâmica. Este processo tem uma incrível história entre o fim do séc. XVIII e meados do séc. XIX, não terminando por aí, onde contemplamos o nascimento e passagem de uma antiga Termodinâmica para a moderna Termodinâmica. Por um lado temos a evolução da ideia do calórico para o calor e seu equivalente mecânico, passando por Rumford, Joule, Mayer, Helmholtz, dentre outros, chegando na 1^a lei da Termodinâmica. Por outro lado temos o trabalho de Sadi Carnot e Clapeyron, passando por Thomson, Clausius e outros, culminando na 2^a lei da Termodinâmica, permitindo inúmeras outras descobertas, seguindo-se ainda o desenvolvimento da Mecânica Estatística.

Deste modo, nossos próximos passos serão tratar da passagem da ideia de calórico para o calor e o seu equivalente mecânico investigando as origens da 1^a Lei da Termodinâmica. Posteriormente voltaremos nossa atenção para o trabalho de Sadi Carnot com máquinas térmicas (de certo modo continuando o trabalho do seu pai, Lazare Carnot, com máquinas hidráulicas), até o estabelecimento da 2^a Lei da Termodinâmica.

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• 1
  O capital humano era encontrado em diversas sociedades científicas, técnicas e filosóficas, reunindo intelectuais, filósofos naturais, engenheiros e técnicos, além de empresários que financiavam pesquisas e publicações.
• 2
  Ver referências [¹⁵], [¹⁶] pág. 144 e [¹⁷] pág. 9.
• 3
  O holandês Isaac Beeckman (1588–1637) também acreditava no “peso” do ar, desenvolveu ideias sobre pressão do ar em analogia com a pressão da água, tendo como base os trabalhos de seu professor, Simon Stevin (1548–1620), conhecido por seus estudos em hidrostática [¹⁷, ¹⁹].
• 4
  Lembre-se que o no Universo aristotélico as leis que governavam o mundo sublunar, imperfeito, eram completamente diferentes das leis que governavam o mundo supralunar.
• 5
  Em muitos artigos os autores eram apresentados com a sigla FRS (Fellow of the Royal Society), Membro da Sociedade Real, de Londres, um título honorífico dado a cientistas que se destacavam em alguma área do conhecimento. Há ainda o título de membro honorário, Honorary, (HonFRS) e o membro estrangeiro, Foreign Member (ForMemRS).
• 6
  Uma apresentação da máquina modificada por Bento de Moura para a família real portuguesa é relatada na Gazeta de Lisboa em 6 de fevereiro de 1742 [³³], pág. 71. Bento de Moura enfrentou problemas com a Inquisição em Portugal, num processo que durou três anos entre 1745 a 1748 findando após um retratamento público para se ver livre do mesmo, é possível ler os documentos do processo na ref. [³⁴]. Posteriormente teve problemas com o Marquês de Pombal, já no novo reinado de Portugal, e ao regressar de uma viagem em 1760 acabou preso, vindo a falecer no cárcere em 1776 [³⁵].
• 7
  A parceria entre Boulton e Watt foi muito profícua durando cerca de um quarto de século. Em 1796 criaram a Soho Foundry e após as aposentadorias de James Watt e Matthew Boulton, em 1800, a parceria seguiu entre os filhos – James Watt Jr e Matthew Robinson Boulton.
• 8
  A mecanização de atividades e o posterior uso em conjunto com máquinas a vapor cada vez mais eficientes impulsionaram a Revolução Industrial.
• 9
  Tomar cuidado com: pound = lb (libra) unidade de massa, também chamada de pound-mass, e ainda temos “pound” como força, isto é, “pound-force” (lbf ou lb_f). Há ainda foot-pound (ft⋅lbf, ft⋅lb_f ou ft⋅lb) para energia e pound-foot (lbf⋅ft, lb_f⋅ft ou lb⋅ft) para torque, onde foot = ft (pé). Assim, “foot-pound/min” pode ser escrito como “ft⋅lbf/min”. Temos que: 1 ft⋅lbf = 0,1382549544 kgf·m = 1,3558179486 J. Para força: 1 lbf = 4,448222 N = 0,453592 kgf. E ainda: 1 ft = 30,48 cm; 1 lb (massa) = 0,45359237 kg; 1 lbf⋅ft = 1,3558179486 N.m (torque); Considerando g = 9,80665 m/s².
• 10
  Em unidades modernas a potência é dada em watts (W), tal que, 1 ft⋅lbf/min = 0,02259696581 W, sendo assim, temos que 1 hp = 745,69987 W e 1 cv = 735,49875 W, ou seja, 1 cv = 0,98632 hp.

Editado por

• Editor-Chefe:
  Marcello Ferreira https://orcid.org/0000-0003-4945-3169

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  07 Abr 2025
• Data do Fascículo
  2025

Histórico

• Recebido
  11 Out 2024
• Revisado
  30 Jan 2025
• Aceito
  13 Mar 2025