Reconectando interesses, saberes e ofícios: as máquinas a vapor dos séculos XVII e XVIII vistas como uma rede de atores

Reconnecting interests, knowledges, and crafts: steam engines of the seventeenth and eighteenth centuries seen as a network of actors

Resumo

O ensino de Física frequentemente aborda as máquinas a vapor apenas após as leis da Termodinâmica, em narrativas lineares centradas na tríade Savery–Newcomen–Watt. Essa perspectiva, comum em materiais didáticos, ignora a complexidade histórica, social e técnica que marcou o desenvolvimento dessa tecnologia, produzindo uma visão simplificada e distorcida da ciência. Este artigo propõe uma reconstrução histórica da invenção e difusão das máquinas a vapor nos séculos XVII e XVIII, articulando práticas técnicas, contextos sociais e elaborações científicas. Busca-se oferecer subsídios teóricos e metodológicos para integrar História e Filosofia da Ciência ao ensino de Física de forma contextualizada, reforçando a compreensão da ciência como prática humana e social. A metodologia combina a construção de uma narrativa histórica, fundamentada na História Cultural da Ciência, na História Social do Conhecimento e na Pesquisa em Redes Históricas, com a elaboração e análise qualitativa de uma rede histórica de atores humanos. Criada no software Gephi, essa rede revela conexões entre inventores, filósofos naturais, engenheiros, investidores e instituições. Espera-se que a proposta contribua para potencializar a construção de atividades didáticas que articulem o desenvolvimento científico e tecnológico às dimensões econômicas, sociais e culturais do período.

Palavras-chave:
Máquinas Térmicas; Redes Históricas; História da Ciência; Ensino de Física; Termodinâmica

Abstract

Physics education often addresses steam engines only after introducing the laws of thermodynamics, typically through linear narratives centred on the Savery–Newcomen–Watt triad. This perspective, common in teaching materials, overlooks the historical, social, and technical complexity that shaped the development of this technology, resulting in a simplified and frequently distorted view of science. This article proposes a historical reconstruction of the invention and diffusion of steam engines in the seventeenth and eighteenth centuries, integrating technical practices, social contexts, and scientific elaborations. The aim is to provide theoretical and methodological support for incorporating the History and Philosophy of Science into physics teaching in a more contextualised manner, reinforcing the understanding of science as a human and social practice. The methodology combines the construction of a historical narrative, grounded in the Cultural History of Science, the Social History of Knowledge, and Historical Network Research, with the qualitative elaboration and analysis of a historical network of human actors. Created using Gephi software, this network reveals the connections between inventors, natural philosophers, engineers, investors, and institutions. It is expected that this approach will contribute to the design of teaching activities that link scientific and technological development to the economic, social, and cultural dimensions of the period.

Keywords:
Heat Engines; Historical Networks; History of Science; Physics Education; Thermodynamics

1. Introdução

A relação entre ciência, tecnologia e sociedade é essencial para a compreensão do desenvolvimento do conhecimento humano. No entanto, no ensino de física, frequentemente se estabelece uma separação artificial entre a construção histórica e a formulação teórica dos conceitos científicos e das tecnologias [¹]. Esse problema é especialmente evidente no caso das máquinas a vapor, cujo desenvolvimento precedeu em mais de um século a formulação das leis da termodinâmica, mas que, nos livros didáticos, geralmente aparecem como meras aplicações dessas leis. Neste artigo, propomos atenuar essa fragmentação ao propor um texto histórico e uma análise do episódio das máquinas a vapor, através de uma perspectiva que articula seu desenvolvimento com os quadros conceituais de sua época. Demonstramos como essa trajetória foi moldada por uma interdependência constante entre inovações técnicas, contextos sociais emergentes e elaborações teóricas contemporâneas.

A importância e os caminhos da História e Filosofia da Ciência (HFC) no ensino de ciências têm sido amplamente discutidos na literatura educacional [², ³, ⁴, ⁵, ⁶] apontando para um panorama de inserção de episódios históricos incorporados a conteúdos e estratégias educacionais com diversas finalidades. Forato, Martins e Pietrocola [⁷] destacam que a história da ciência pode fornecer um entendimento mais amplo da construção do conhecimento científico, evitando visões distorcidas e ingênuas da ciência. Ao mesmo tempo, estudos como o de Gil-Perez et al. [⁸] já sinalizavam que a maneira como os professores e livros didáticos representam o processo científico influencia diretamente a forma como os alunos percebem a ciência, muitas vezes reforçando concepções errôneas, como o empirismo ingênuo e a ideia de progresso linear da ciência. Estudos recentes, como os de Yacoubian [⁹], Wang et al. [¹⁰] e Abd-El-Khalick et al. [¹¹], seguem investigando as concepções sobre a ciência e os desafios de transformá-las em atividades educacionais que efetivamente promovam uma compreensão mais aprofundada da natureza do conhecimento científico. Esses esforços são reforçados por pesquisas como a de Bugingo et al. [¹²], que, por meio de uma ampla revisão da literatura, demonstrou que, apesar dos avanços no campo da educação científica, a maioria dos professores, estudantes de licenciaturas e alunos da educação básica ainda mantém visões ingênuas e simplificadas sobre os cientistas, sobre a ciência e seu funcionamento.

Nesse contexto, destacamos a necessidade de adotar referenciais teóricos que permitam construir narrativas históricas mais densas e contextualizadas sobre a ciência. A História Cultural da Ciência (HCC), conforme discutida por Pimentel [¹³], oferece uma abordagem que permite compreender a ciência como uma prática cultural, marcada por representações, símbolos, disputas e valores. Assim como outras vertentes historiográficas críticas desenvolvidas desde os anos 1970, como os estudos de controvérsia, a história social do conhecimento e a etnografia dos saberes científicos, a HCC questiona as leituras positivistas e acumulativas da ciência, valorizando os significados atribuídos aos eventos científicos, as práticas discursivas envolvidas na produção do saber e os atores historicamente invisibilizados. Peter Burke [¹⁴, ¹⁵] também contribui nesse debate ao discutir a História Social do Conhecimento (HSC) como instrumento para compreender como saberes são produzidos, institucionalizados e circulam socialmente. Embora parta de uma abordagem mais estrutural, Burke reconhece a centralidade da cultura nos modos de produção do conhecimento e afirma que os processos de construção científica são indissociáveis de seus contextos históricos e simbólicos. Em consonância com os apontamentos de Pestre [¹⁶], reconhecemos que essas perspectivas não são excludentes, mas complementares, e fornecem a base para a elaboração de materiais didáticos que tratem a ciência como prática humana situada, favorecendo a articulação entre dimensões técnicas, sociais e culturais.

Além da História Cultural da Ciência e da História Social do Conhecimento, este trabalho dialoga com a Teoria Ator-Rede (Actor-Network Theory – ANT) de Bruno Latour [¹⁷, ¹⁸], adaptando seu enfoque sociotécnico às especificidades da análise histórica. Embora a ANT considere atores humanos e não humanos como elementos simétricos na constituição das redes, nossa abordagem opera em dois níveis complementares: (1) na narrativa histórica, integramos tanto agentes humanos (sócios capitalistas, filósofos naturais, artífices mecânicos) quanto não humanos (patentes, companhias, artefatos técnicos e instituições científicas); (2) na modelagem gráfica da rede, privilegiamos as relações entre atores humanos para evidenciar as dinâmicas sociais subjacentes ao desenvolvimento tecnológico. Essa opção metodológica, que articula a complexidade da análise sociotécnica com a clareza expositiva, está alinhada à perspectiva de Ahnert e seus colaboradores [¹⁹] sobre a virada das redes nas humanidades, ao oferecer uma ferramenta potente para mapear os caminhos de circulação do conhecimento, suas apropriações e reinterpretações ao longo do tempo, levando em conta tanto os contextos locais quanto os fluxos transnacionais. Ao integrar os referenciais da HCC e da HSC à abordagem das redes históricas, buscamos construir uma narrativa didática que reflita a complexidade da ciência como fenômeno histórico, social, cultural e interacional.

Muitos dos fatores aqui listados se conectam em movimentos da área de ensino de ciências iniciados no final do século XX, entre esses movimentos destacam-se reavaliações do que é ciência e como ela é realizada, e mesmo a exploração de aspectos da Natureza da Ciência (NdC) [²⁰]. Ao longo destes mais de trinta anos a NdC é explorada por diversos autores, como Lederman [²⁰], Abd-El-Khalick; Lederman [²²], Allchin [³], Martins [²³], Galili [²⁴], Khishfe [²⁵] entre outros. Além disso, a necessidade da compreensão de elementos relacionados à ciência tem ganhado cada vez mais espaço nos documentos regulamentadores e currículos, como podemos ver em AAAS [²⁶, ²⁷]; NSTA [²⁸]; BRASIL [²⁹, ³⁰]. Ao analisar a Base Nacional Comum Curricular do Ensino Médio (BNCCEM) [³¹] podemos observar que ela contempla elementos da NdC ao enfatizar a construção histórica do conhecimento científico, suas implicações sociais e a diversidade de concepções epistemológicas; aspectos que aparecem na BNCCEM por meio de habilidades como EM13CNT101, que trata da reflexão sobre concepções de ciência e método, e EM13CNT102, que aborda a evolução histórica das teorias científicas. Assim, a BNCCEM reconhece a ciência como um processo dinâmico e contextualizado, convergindo para abordagens contemporâneas da NdC.

Quando olhamos para estes documentos, imaginamos um cenário que possa ir evoluindo com o passar do tempo. No entanto, os estudos sobre livros didáticos da área de ciências revelam padrões semelhantes na abordagem da História da Ciência. Trabalhos como os de Vidal e Porto [³²] e Silva, Pires e Manzke [³³] destacam que, apesar da presença da HFC, ela é tratada de forma superficial e fragmentada, enfatizando cronologias e nomes de cientistas sem aprofundar o contexto histórico, social e filosófico dos episódios históricos. Os livros analisados nestes trabalhos dão pouca atenção à ciência como um processo dinâmico, negligenciando fatores externos como debates científicos, influências econômicas, políticas e culturais. Em um trabalho mais abrangente Lima, Heidemann e Garik [¹, p. 3] reforçam que:

Mesmo quando uma abordagem histórica está presente, como nos livros didáticos, muitas vezes ela frequentemente reforça as concepções errôneas sobre a Natureza da Ciência. […] os livros didáticos usados nas escolas de ensino médio no Brasil contam uma história linear, positiva e cumulativa da Ciência Moderna, apresentando visões históricas distorcidas e anacronismos.

Este mesmo panorama é observado em outros países, como relatado na ampla pesquisa de Su, Jiang e Wei [³⁴], que realizaram uma revisão sistemática sobre a representação da NdC em livros didáticos de ciências. O referido estudo analisou 42 pesquisas empíricas feitas a partir de livros de vários países como Estados Unidos, Reino Unido, China, Turquia, Brasil, África do Sul, Finlândia, Grécia, Noruega e Taiwan. A análise evidencia que a HFC é frequentemente mencionada de forma fragmentada e implícita, sem um aprofundamento na evolução das ideias científicas ao longo do tempo. Os livros didáticos tendem a enfatizar apenas os conceitos científicos consolidados, sem explorar adequadamente o papel das controvérsias científicas, dos debates epistemológicos e da influência sociopolítica no desenvolvimento da ciência. Além disso, os autores apontam que a maioria dos livros não apresenta a HFC de maneira integrada ao ensino, dificultando a construção de uma visão holística e crítica sobre o conhecimento científico.

2. Máquinas a Vapor

Nesta seção, apresentamos um texto elaborado com o objetivo de ampliar as bases históricas e conceituais sobre o desenvolvimento da máquina a vapor, oferecendo aos professores de Física um material de apoio, que contribua para a elaboração de intervenções didáticas capazes de promover a integração da HFC ao ensino. A construção dessa narrativa está fundamentada na História Cultural da Ciência [¹³, ¹⁵], na História Social do Conhecimento [¹⁴] e na abordagem metodológica das redes históricas [³⁵]. O corpo textual foi desenvolvido a partir dos resultados de uma investigação conduzida no segundo ano do ensino médio de uma escola pública da rede federal de ensino [³⁶], com o propósito de explorar as potencialidades de uma abordagem investigativa que articule conteúdos conceituais de Física às dimensões históricas, sociais e culturais da ciência. Este trabalho dialoga com os aportes teóricos da pesquisa em redes históricas, que têm se consolidado como ferramenta metodológica e epistêmica na historiografia contemporânea. Como destacam Van den Heuvel e seus colaboradores [³⁷], as redes funcionam como interfaces associativas capazes de favorecer a construção de narrativas históricas não lineares, revelando conexões entre atores, ideias e práticas frequentemente marginalizadas por abordagens cronológicas tradicionais. Essa perspectiva amplia o escopo da análise histórica ao buscar padrões relacionais profundos entre sujeitos, instituições, objetos e saberes, inclusive entre atores materiais e simbólicos. Ao associar essa abordagem às contribuições da HCC e da HSC, propõe-se uma narrativa didática que valoriza a complexidade do conhecimento científico como um empreendimento humano e coletivo, contextualizado historicamente e marcado por disputas, circulação de saberes e transformações culturais.

2.1. Os séculos do vapor: mudanças estruturais na inglaterra e na Europa pré-moderna

O advento das máquinas a vapor é frequentemente tratado como um marco tecnológico isolado, fruto de avanços puramente científicos. No entanto, sua origem e consolidação estão intrinsecamente ligadas a fatores econômicos, políticos e sociais que moldaram a Grã-Bretanha entre os séculos XVII e XVIII. A Revolução Industrial, desencadeada nesse contexto, não foi um evento repentino, mas um processo contínuo, impulsionado por transformações estruturais que remodelaram as relações de trabalho e a organização das cidades [³⁸]. Desde o século XVII, a demanda crescente por carvão impulsionou a exploração de minas cada vez mais profundas, frequentemente alagadas. A necessidade de controlar essas inundações levou setores econômicos britânicos a investirem no desenvolvimento de dispositivos mecânicos para drenagem, favorecendo o surgimento das primeiras máquinas a vapor [³⁹]. Inicialmente restritas à extração mineral, essas máquinas foram progressivamente incorporadas a outros setores produtivos. No final do século XVIII, a tecnologia a vapor já era amplamente utilizada em diferentes processos industriais e na mecanização dos transportes [⁴⁰, p. 12]. Embora a Revolução Industrial tenha sido um fenômeno europeu, a Grã-Bretanha destacou-se como epicentro desse processo. Enquanto países como França e Alemanha enfrentavam conflitos internos e disputas territoriais, o Reino Unido dispunha de condições mais favoráveis ao desenvolvimento industrial [³⁹]. Entre estas condições, destacam-se: matérias-primas abundantes (carvão e ferro) próximas aos centros urbanos e industriais, geografia favorável com rios navegáveis, império comercial global, revolução agrícola prévia e uma cultura empírica que fomentava a inovação prática [³⁸]. Além disso, fatores estruturais como altos salários e o baixo custo do carvão tornaram a mecanização da produção britânica economicamente viável em comparação a outras nações europeias [⁴¹]. Apesar da existência de reservas de carvão na França, Alemanha e Bélgica, a indústria destes países preferiu importar da Grã-Bretanha, onde o setor carbonífero já estava consolidado. A República Holandesa, por sua vez, também pagava altos salários e enfrentava altos custos energéticos, o que dificultava sua industrialização [⁴¹].

Contrariando a visão de que o pioneirismo britânico decorreu de uma superioridade científica, Hobsbawm [³⁸] argumenta que o desenvolvimento das máquinas a vapor não foi impulsionado por descobertas teóricas, mas por necessidades práticas. O conhecimento empregado nos primeiros modelos era majoritariamente artesanal, oriundo de carpinteiros e mecânicos, e não de academias científicas. Embora conceitos de mecânica newtoniana e pressão atmosférica já fossem conhecidos antes de 1700 [⁴¹], a formalização teórica do funcionamento das máquinas a vapor ocorreu apenas no final do século XVIII [⁴²]. O cenário educacional também influenciou esse processo. Enquanto a Grã-Bretanha mantinha um ensino elitista, voltado à nobreza e à alta burguesia [⁴³], a Revolução Francesa fomentou o avanço das ciências naturais, especialmente na matemática e na física [³⁸]. Esse ambiente acadêmico francês contribuiu para a posterior teorização e o aprimoramento das máquinas, demonstrando que o avanço tecnológico não depende apenas da prática, mas também da sistematização científica [⁴⁴]. A ascensão da Grã-Bretanha como potência industrial no final do século XVIII não foi resultado exclusivo de fatores tecnológicos, mas da convergência de condições econômicas, geográficas e sociais. A relação entre salários e custo energético, os desafios da extração de carvão e as demandas produtivas fizeram das máquinas a vapor um elemento central da sociedade industrial [⁴¹].

2.2. As raízes históricas do desenvolvimento das máquinas a vapor

O advento das máquinas a vapor resultou de um processo complexo que envolveu inventores, financiadores, acadêmicos, gestores e instituições. Esse desenvolvimento não pode ser atribuído a indivíduos isolados, mas a uma rede interconectada de agentes, onde fatores econômicos, sociais e científicos se influenciaram mutuamente [⁴⁵]. Cidades, empresas e sociedades científicas também desempenharam papel central na difusão dessa tecnologia. A relação entre geografia e inovação foi determinante nesse processo. A Grã-Bretanha, com suas jazidas de carvão acessíveis, viu esse recurso tornar-se indispensável desde o século XVI, inicialmente como combustível doméstico. Com o crescimento populacional e a redução das florestas, a mineração tornou-se essencial, deslocando-se progressivamente para camadas mais profundas da terra [³⁸]. Esse avanço, contudo, trouxe desafios como explosões de gases e alagamentos, uma vez que muitas minas ultrapassavam o lençol freático, comprometendo a segurança dos trabalhadores e os rendimentos das extrações [³⁹, ⁴⁶]. A necessidade de escoar a água das minas impulsionou diversas patentes entre 1561 e 1688. As primeiras tentativas baseavam-se nos princípios de Pascal (1623–1662) e Torricelli (1608–1647), buscando elevar a água por pressão atmosférica, mas sem sucesso para profundidades superiores a 9,75 metros [⁴⁰]. Apenas no final do século XVII e início do XVIII, com o uso do vapor gerado pela queima do carvão, surgiram soluções viáveis para esse problema.

Um dos pioneiros nessa abordagem foi o francês Denis Papin (1647–1713), que, embora não tivesse inicialmente o objetivo de drenar minas, desenvolveu dispositivos fundamentais para essa tecnologia. Sua colaboração com Christiaan Huygens (1629–1695) e Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) resultou na modificação da bomba de ar de Otto von Guericke (1602–1686), transformando-a em um motor capaz de converter explosões de pólvora em trabalho útil [⁴⁷]. Em 1675, fugindo das perseguições religiosas na França, devido à revogação do Édito de Nantes¹, Papin estabeleceu-se na Inglaterra. Em uma carta, enviada a Henry Oldenburg² (1619–1677) [⁴⁸], neste mesmo ano, Christiaan Huygens recomendou que Papin fosse a Londres e que conhecesse Robert Boyle (1627–1691) e William Brouncker³ (1620–1684). Nesta carta, Huygens, também relata que Papin morou com ele por dois anos e que o auxiliou em diversos experimentos. Por intermédio de Christiaan Huygens, Boyle estabeleceu uma parceria com Denis Papin [⁴⁶]. É possível que Boyle tenha tido contato com os trabalhos de Guericke por meio do livro Mechanica Hydraulico-pneumatica, publicado por Gaspar Schott (1608–1666) em 1657 [⁴⁹]. Boyle deu continuidade aos estudos de Otto von Guericke sobre o vácuo e a pressão atmosférica, além de desenvolver pesquisas sobre o vapor e o ponto de ebulição da água. Papin destacou-se pela criação do New Digester em 1680, precursor da panela de pressão moderna, que operava sob altas temperaturas e necessitava de um mecanismo de controle. Ele desenvolveu, assim, a válvula de segurança, dispositivo essencial para a regulação de pressão em máquinas a vapor. Em 1690, publicou um artigo descrevendo um motor baseado na queima de carvão para gerar vapor e vácuo, substituindo a pólvora de seu experimento anterior com Huygens [⁵⁰, ⁵¹]. Entretanto, sua proposta enfrentou críticas, especialmente de Robert Hooke (1635–1703), que apontava limitações práticas, como a necessidade de retirar constantemente a fonte de calor e a lentidão do pistão [⁵²]. Com as críticas de Hooke e a dificuldade de desenvolver o dispositivo para aplicação prática, Papin se dedicou a outros temas. Enquanto Papin se dedicava à experimentação teórica, a Grã-Bretanha avançava na busca por aplicações práticas para o bombeamento de água em minas. O sucesso inicial dessas máquinas decorreu não apenas de inovações tecnológicas, mas também de um ambiente propício ao financiamento, à experimentação e à proteção da propriedade intelectual. Como destaca Allen [⁴¹, p. 368–369], “uma invenção só é socialmente útil se for utilizada, e sua adoção depende de incentivos financeiros”.

Thomas Savery (1650–1715), engenheiro militar inglês, desenvolveu a primeira máquina a vapor comercialmente viável para drenagem de minas, da qual se tem registro, utilizando vapor e vácuo para elevar a água [⁴⁰]. Diferentemente de Denis Papin, que priorizava experimentos teóricos, Savery focou na implementação prática, inspirando-se em dispositivos anteriores de bombeamento de água e em máquinas a vapor da época, como a de Edward Somerset (1602–1667), o marquês de Worcester [⁴², ⁴⁶]. A crítica de Robert Hooke ao design de Papin levou Savery a abandonar o uso do cilindro e pistão, optando por um sistema baseado na alternância entre pressão atmosférica e vácuo. Em 1698, Savery apresentou sua máquina ao rei William III e, no ano seguinte, à Royal Society, nessa época presidida por Isaac Newton (1643–1727). A partir de uma série de demonstrações garantiu a patente n^o 356, que lhe conferia exclusividade de produção por 14 anos. Em 1699, a lei Fire Engine Act estendeu essa proteção até 1733, assegurando-lhe o monopólio da construção de qualquer mecanismo de bombeamento de água movido a fogo [⁴⁶]. Entre 1695 e 1702, a máquina passou por aprimoramentos, resultando na publicação do livro The Miners’ Friend: Or, an Engine to Raise Water by Fire, no qual Savery detalhou seu funcionamento, montagem, manutenção e possíveis aplicações.

A máquina de Savery consistia em uma caldeira que gerava vapor ao aquecer a água, pressionando outro reservatório e expelindo seu conteúdo, criando vácuo (Figura 1).

Figura 1:
Representação da Máquina de Savery. Fonte: [⁵³].

Esse processo, regulado por um sistema de válvulas, possibilitava a sucção da água das minas para um reservatório superior. Contudo, sua eficiência era limitada pelo alto consumo de carvão e pela falta de um dispositivo de segurança. Seu uso seguro restringia-se a alturas de até 6 metros, enquanto profundidades maiores aumentavam o risco de explosões [⁵², ⁵³].

Savery chegou a afirmar que sua máquina poderia elevar a água a alturas superiores a 150 metros, caso houvesse recipientes suficientemente resistentes [⁵³]. No entanto, as limitações técnicas não estavam relacionadas à falta de princípios científicos adequados, mas sim às restrições dos materiais disponíveis na época [⁴²]. Enquanto Savery consolidava sua invenção, Papin retomava seus estudos sobre máquinas a vapor. Em 1705, ao tomar conhecimento do uso de motores a vapor na Inglaterra, desenvolveu um novo dispositivo sob o incentivo de Carlos I (1654–1730). Sua invenção foi descrita no livro Nouvelle Manière d’élever l’eau par la force du feu (Nova maneira de elevar a água pela força do fogo), onde mencionou, pela primeira vez, a válvula de segurança associada à máquina a vapor. Em 1708, propôs à Royal Society um projeto de barco a vapor, que foi recusado, em parte devido às críticas de Savery ao uso do cilindro e pistão, argumentando que o atrito prejudicava a eficiência do sistema [⁴⁶]. Em uma carta de 1709 [⁵⁴], Savery faz duras críticas a Papin, dizendo que o mesmo teve acesso a seu livro e que mesmo assim não compreendeu o assunto, “omitindo o que é de mais essencial”. Savery usa um tom sarcástico para sugerir que Papin está fazendo alegações impossíveis sobre a velocidade de operação de sua máquina. A resistência britânica às propostas de Papin ilustra um fenômeno recorrente na história da ciência e da tecnologia: a relutância em aceitar inovações estrangeiras.

Ainda assim, a influência de Papin na engenharia do vapor tornou-se evidente. Em 1718, John Theophilus Desaguliers (1683–1744), membro da Royal Society, implementou a válvula de segurança proposta por Papin em uma das máquinas de Savery. No entanto, nesse período, poucas dessas máquinas ainda estavam em operação [⁵²]. Desaguliers também esteve envolvido na construção de motores hidráulicos para o abastecimento de jardins aristocráticos. Apesar de suas limitações, a máquina de Savery teve um impacto significativo. Foi a primeira máquina a vapor aplicada com sucesso na Europa, demonstrando as possibilidades da conversão de energia térmica em trabalho mecânico. Além de atender às necessidades da mineração, expôs trabalhadores, investidores e industriais, assim como cientistas, às potencialidades do vapor, estimulando o desenvolvimento de novas tecnologias nos principais centros manufatureiros [⁵²].

A máquina de Savery despertou o interesse de trabalhadores de diversas áreas, entre eles Thomas Newcomen (1664–1729), comerciante e ferreiro inglês, e seu sócio John Calley (1663–1725), um vidraceiro. Newcomen, familiarizado com os problemas de inundação nas minas de carvão por meio de seus clientes, teve contato direto com a máquina de Savery, instalada em uma mina próxima a Dartmouth, no condado de Devon, onde vivia [⁵⁵, ⁴⁶]. A partir dessa experiência, ele e Calley combinaram o sistema de cilindro e pistão de Papin com a caldeira e a injeção de água de Savery, criando um novo motor a vapor.

Newcomen possuía alguma instrução e, como outros pregadores batistas, valorizava o aprendizado. Além de sua rede de contatos, ele correspondia-se com Robert Hooke, o que pode ter facilitado seu acesso aos estudos de Papin [⁵², ⁵⁶]. No entanto, a patente de Savery, abrangente e protegida até 1733, impedia o desenvolvimento de novas máquinas sem concessão de licença. Diante da recusa inicial, Newcomen e Calley firmaram um acordo com Savery, pagando royalties para viabilizar a construção do novo motor, que passou a ser comercializado sob a patente existente [³⁹]. A máquina de Newcomen e Calley solucionou o problema da limitação de altura da máquina de Savery, operando com maior eficiência na drenagem de minas. Conhecida como motor atmosférico, sua primeira versão foi instalada em 1712, havendo divergências sobre se sua localização foi em Wolverhampton, Dudley ou Cornwall [⁵⁷]. Em pouco tempo, a tecnologia se espalhou pelos principais distritos de mineração britânicos, especialmente nas regiões carboníferas, onde o custo do combustível era reduzido [⁴⁶]. Apesar dos avanços, a máquina de Newcomen ainda apresentava alto consumo de carvão e limitações estruturais, devido à qualidade dos materiais disponíveis na época. No entanto, era um dispositivo robusto, construído em ferro, latão e madeira, que proporcionava lucros reais aos donos das minas e à empresa que, mais tarde, adquiriu a patente de Savery [⁴²] Após a morte de Savery em 1715, os direitos da patente foram transferidos para a empresa The Proprietors of the Invention for Raising Water by Fire, que passou a emitir licenças para construção e operação dos motores, cobrando altos royalties. Esse monopólio dificultou a difusão da tecnologia, resultando na instalação de apenas 97 motores entre 1700 e 1733 [⁴⁰]. Em 1713, Humphrey Potter (1689–1718), operador de um motor de Newcomen, propôs um sistema de automatização para abertura e fechamento das válvulas, aumentando a eficiência da máquina [⁵⁸]. Seu tio, Edward Wallin, ministro batista e membro da empresa que controlava a patente de Savery, ajudou a divulgar a tecnologia em Londres [⁵⁵]. Em 1718, Henry Beighton (1687–1743) aprimorou o sistema, substituindo as cordas de Potter por uma barra de ferro e instalando um motor de Newcomen em Newcastle, tornando-o independente da operação humana [⁵²]. Com o fim da patente em 1733, a produção das máquinas foi descentralizada e passou a ser realizada por artesãos locais, permitindo maior difusão da tecnologia. Entre 1734 e 1774, o número de motores instalados cresceu para 539 [⁴⁰]. Durante esse período, melhorias estruturais foram implementadas sem alterar os princípios de funcionamento, uma vez que a formulação científica sobre as propriedades do vapor só avançou por volta de 1760 [⁵²].

A complexidade das máquinas exigia profissionais qualificados para sua construção e manutenção, o que favoreceu o desenvolvimento de competências especializadas. Engenheiros como Joseph Hornblower (1696–1762) e Marten Triewald (1691–1747) desempenharam papel essencial na difusão da tecnologia ao supervisionar a construção e operação dos motores [⁴⁰]. John Smeaton (1724–1792) contribuiu significativamente para o aperfeiçoamento das máquinas de Newcomen. Além de melhorar a vedação dos pistões e a eficiência das caldeiras, otimizando o consumo de combustível, ele levou a discussão técnica para o meio acadêmico ao publicar, em 1759, um estudo experimental sobre rodas d’água e máquinas térmicas nos Philosophical Transactions of the Royal Society [⁴⁶]⁴. Outro fator determinante na difusão da tecnologia a vapor foi a expansão das siderúrgicas, como a Carron Company Ironworks, a Bersham, a Coallbrookdale e a New Willey, que forneciam materiais essenciais para a construção de motores a vapor [⁴⁰]. Além de viabilizar a construção de máquinas mais eficientes, a indústria siderúrgica passou a utilizar a tecnologia do vapor em seus fornos para produção de ferro-gusa. A interação entre mineração, siderurgia e engenharia mecânica demonstra como o avanço das máquinas a vapor não foi um processo isolado, mas o resultado de uma rede de desenvolvimentos interdependentes [⁴⁶]

A difusão das máquinas a vapor e o crescimento industrial britânico estimularam o desenvolvimento de novos dispositivos baseados nesse princípio. Entre 1700 e 1774, foram construídas 539 máquinas a vapor, demonstrando não apenas a viabilidade da tecnologia, mas também a existência de um mercado consumidor ativo e promissor [⁴⁰]. O aumento da exposição dessas máquinas possibilitou estudos em escala reduzida, permitindo análises mais aprofundadas sobre suas limitações, como o alto consumo de combustível. Foi nesse contexto que James Watt (1736–1819) teve seu primeiro contato com uma máquina de Newcomen (Figura 2), utilizada como instrumento de laboratório na Universidade de Glasgow, em 1763 [⁵²]. Este é um encontro que revela a distinção entre dois mundos: o dos artífices práticos que haviam aprimorado as máquinas operacionais com ajustes técnicos, e o do ambiente universitário no qual Watt, analisou a máquina como um equipamento de laboratório, conduzindo uma análise científica, realizando testes para compreender tanto o funcionamento mecânico quanto as propriedades térmicas do vapor [⁵⁸].

Figura 2:
Motor de Newcomem no qual Watt trabalhou em Glasgow. Fonte: The Hunterian, University of Glasgow, disponível em https://www.gla.ac.uk/events/jameswatt/jwanduofg/, acessado em 24 de março de 2025.

A educação inglesa no século XVIII era elitista e restrita [⁴³]. Embora Oxford e Cambridge fossem as principais universidades da Inglaterra, não tiveram impacto direto no desenvolvimento da tecnologia a vapor. Já a Escócia possuía instituições mais acessíveis, entre elas a Universidade de Glasgow, que mantinha um laboratório com modelos reduzidos da máquina de Newcomen. Foi nesse ambiente que Watt entrou em contato com o químico Joseph Black (1729–1799), que, em 1761, desenvolveu a teoria do calor latente ao estudar a transição entre estados físicos da água. Black apresentou suas descobertas nos Philosophical Transactions of the Royal Society⁵ e em palestras na universidade, influenciando diretamente o trabalho de Watt [⁵²].

James Watt teve contato com a mecânica devido aos negócios marítimos de seu pai. Sua mãe, oriunda de uma família letrada, incentivou sua educação [⁴⁶]. Watt foi enviado a Glasgow para aprimorar suas habilidades na fabricação de instrumentos. Lá, conheceu Robert Dick Jr. (1722–1757), professor de Filosofia Natural, que o encorajou a ir a Londres. Em 1755, trabalhou por um ano com John Morgan⁶, fabricante de instrumentos matemáticos⁷ em Cornwall, mas problemas de saúde o forçaram a retornar à Escócia [⁵⁸].

De volta a Glasgow em 1756, Watt tentou estabelecer um negócio de fabricação e manutenção de instrumentos, mas foi impedido pelos sindicatos locais devido à sua origem social. Contou então com o apoio de seu amigo Dr. Dick, que o empregou na Universidade de Glasgow como criador de instrumentos matemáticos [⁵⁸]. Durante esse período, frequentou palestras e desenvolveu relações acadêmicas com Black e John Robinson (1739–1805). Entre 1763 e 1764, o professor John Anderson (1726–1796) solicitou a Watt que reparasse um modelo de bancada da máquina de Newcomen. O objetivo era investigar seu alto consumo de combustível. O único contato prévio de Watt com máquinas a vapor havia sido por meio dos escritos de Papin [⁴²].

2.2.1. O desenvolvimento do condensadorseparado

Nos testes, Watt determinou a relação entre a quantidade de carvão consumido, o volume de vapor gerado e a água aquecida no processo. Com base na teoria do calor latente de Black, ele calculou a quantidade ideal de água fria necessária para a condensação eficiente do vapor. Concluiu que a perda de energia estava relacionada ao resfriamento do cilindro pistão e que este deveria permanecer quente durante todo o processo. Para isso, propôs um condensador separado, permitindo que o resfriamento ocorresse em um compartimento distinto [⁴⁶]. O condensador separado emergiu não como um insight isolado, mas como resultado de um processo iterativo marcado por experimentação empírica e superação de limitações materiais. Dickenson e Jenkins [⁶²] demonstram que a invenção demandou: (a) a tradução em mecanismos concretos de propriedades observadas do vapor (como calor latente e pressão); (b) a solução de problemas de vedação através de materiais alternativos e (c) o abandono de modelos preliminares (condensadores de placas) em favor de configurações mais robustas (tambor). Essa inovação seria a base de sua primeira patente. Watt então construiu um modelo experimental para testar sua ideia. Em 1765, dedicou-se ao aprimoramento de seu projeto e também realizou estudos em minas de carvão em Glasgow, auxiliando magistrados da cidade [⁵⁸]. Sua casa tornou-se um ponto de encontro para acadêmicos como Black, Robinson, Anderson e outras figuras notáveis, incluindo o matemático Robert Simson (1687–1768) e o economista Adam Smith (1723–1790). Foi por meio desses contatos que conheceu John Roebuck (1718–1794), a quem apresentou suas adaptações na máquina de Newcomen [⁵²]. O diferencial do trabalho de Watt foi a aplicação de um estudo experimental para compreender e otimizar o funcionamento da máquina a vapor. Contudo, uma teoria científica abrangente sobre a tecnologia do vapor ainda não havia sido desenvolvida. Apenas na primeira metade do século XIX, Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832) evidenciaria a necessidade de um modelo teórico para fundamentar a termodinâmica das máquinas térmicas.

2.3. A expansão das máquinas a vapore a consolidação da indústria

Em 1767, o médico e empresário John Roebuck tornou-se o primeiro parceiro comercial de James Watt, investindo financeiramente no aprimoramento de sua máquina a vapor. Esse aporte permitiu que Watt quitasse empréstimos adquiridos com amigos para o desenvolvimento de seu modelo. Em troca, Roebuck ficou com dois terços dos lucros futuros da invenção [⁵⁸]. O interesse de Roebuck na parceria estava diretamente ligado às suas atividades industriais. Em 1760, ele fundou a Carron Company Ironworks⁸ em Stirling e, para abastecer sua fábrica, alugou minas de carvão e salinas em Borrowstounness. A ineficiência das máquinas de Newcomen para drenagem dessas minas motivou sua busca por novas soluções, levando-o a contatar Watt, cujo trabalho já era conhecido [⁴⁶]. Com esse investimento, Watt construiu, em 1768, um motor experimental em Kinnel, próximo a Borrowstounness. Esse teste permitiu ajustes técnicos até que a máquina atingisse sua plena capacidade. No ano seguinte, Watt obteve a patente n^o 913 sobre o condensador separado, garantindo exclusividade sobre sua inovação [⁵²]. Na Figura 3 podemos ter acesso a um desenho feito por Watt quando ele preparava sua patente de 1769.

Figura 3:
Desenho preparado por James Watt para sua solicitação de patente de 1769. Fonte: [⁶², p. 103].

A parceria, no entanto, foi interrompida quando Roebuck declarou falência. Paralelamente, Watt enfrentava a perda de sua esposa. Diante dessas adversidades, voltou a trabalhar como mecânico, dedicando-se à construção de canais de escoamento de carvão e pontes. Apenas em 1773 ele retomou os trabalhos com máquinas a vapor, ao firmar parceria com o empresário Matthew Boulton (1729–1809), figura-chave na difusão de sua invenção. Boulton possuía uma fábrica⁹ em Handsworth, perto de Birmingham, Inglaterra e estava interessado em desenvolver sua própria máquina a vapor. Ele e Watt se conheceram em 1768, quando o inventor foi a Londres registrar sua patente. No entanto, o acordo entre eles só foi formalizado em 1773, após negociações com Roebuck [⁴⁶]. No ano seguinte, Watt mudou-se para Handsworth, e informou seu antigo parceiro sobre o sucesso dos testes em Kinnel. Em 1775, com o apoio de amigos influentes e de Boulton, conseguiu estender sua patente por mais 24 anos, garantindo a exclusividade de sua tecnologia até 1800 [⁵⁸]. A partir desse momento, os sócios iniciaram a produção e comercialização dos motores. Enquanto Watt supervisionava o projeto e a montagem, Boulton gerenciava os negócios, tarefa na qual demonstrava grande habilidade.

2.3.1. Inovações e expansão do mercado

Um dos principais desafios enfrentados por Watt era a necessidade de cilindros precisos para o funcionamento eficiente da máquina. Inicialmente, esses cilindros eram perfurados manualmente com ferro e martelo, resultando em vazamentos. A solução veio em 1774, quando o metalurgista John Wilkinson (1728–1808) desenvolveu a broqueadora, um dispositivo que permitia perfurações precisas. Wilkinson forneceu cilindros para a Boulton & Watt até que a empresa estabelecesse sua própria fundição em Smethwick [⁴⁶]. A fundição, denominada Soho Foundry, foi construída a cerca de uma milha de distância da Soho Manufactory [⁶³]. Outro avanço crucial foi desenvolvido por Henry Cort (1740–1800), que, em 1783, patenteou o puddling process, um método que aprimorava a produção de ferro maleável. Essas inovações tornaram possível a fabricação de componentes mais robustos e eficientes para os motores a vapor.

Os motores da Boulton & Watt apresentavam grande economia de combustível em comparação com os de Newcomen, embora fossem mais complexos e caros devido aos componentes adicionais, como o condensador separado e a bomba de ar [⁴⁰]. Entre 1775 e 1800, os motores de Watt começaram a se difundir, competindo diretamente com os de Newcomen. Enquanto estes últimos continuavam predominantes em regiões com carvão barato, como Lancashire e Yorkshire, os motores de Watt aparecem distribuídos de forma mais dispersa em locais com maior demanda por mecanização, como Cornwall, Londres e West Riding (Yorkshire) respondendo a necessidades industriais além da disponibilidade de combustível.

2.3.2. A busca pelo movimento rotativo

Entre 1775 e 1785, Watt continuou aperfeiçoando sua invenção e registrou cinco novas patentes. Inicialmente, sua máquina operava apenas com movimento vertical, adequado para bombeamento de água. No entanto, a possibilidade de um movimento rotativo ampliava as aplicações industriais da tecnologia [⁴⁶]. O princípio da manivela e contrapeso já era utilizado em dispositivos mecânicos antes de Watt. Matthew Wansbrough (1753–1781) patenteou um sistema de manivela em 1779, seguido por James Pickard¹⁰, que, em 1780, registrou um mecanismo semelhante. Esses inventores exploravam maneiras de converter o movimento alternativo das máquinas de Newcomen em movimento contínuo para novas aplicações industriais [⁴⁰]. Para contornar as restrições das patentes existentes, Watt desenvolveu cinco mecanismos alternativos para garantir o movimento rotativo sem uso direto da manivela. Em 1782, ele patenteou esses sistemas, entre os quais estava a roda sol-planetária, idealizada por William Murdoch (1754–1839), funcionário da Boulton & Watt [⁴⁶].

2.3.3. Estratégias comerciais e conflitos comconcorrentes

A estratégia de Boulton e Watt para disseminar suas máquinas incluiu um modelo inovador de comercialização: em vez de vender os motores, a empresa os instalava gratuitamente e cobrava royalties anuais sobre um terço do valor economizado com combustível. Para assegurar esse pagamento, Watt desenvolveu, em 1781, um dispositivo que registrava os golpes do motor, permitindo calcular a economia proporcionada [⁴⁶]. A atratividade desse modelo fez com que muitos gestores adotassem a tecnologia. Entretanto, alguns mineradores tentaram evitar o pagamento de royalties ao modificar componentes mínimos das máquinas e registrar novas patentes. Isso levou a Boulton & Watt a iniciar disputas judiciais contra concorrentes, incluindo antigos funcionários que desenvolveram versões derivadas da máquina de Watt [⁵²].

2.3.4. Disputas judiciais e defesa da patente

Entre os principais adversários estavam os Hornblower e Edward Bull (1759–1798), engenheiros que construíram motores similares aos de Watt. Jonathan Hornblower Jr. (1717–1780) patenteou um motor composto com dois cilindros em 1781, aumentando a eficiência energética do sistema. Ao perceber a concorrência, a Boulton & Watt publicou anúncios ameaçando processar quem utilizasse tecnologias derivadas de sua patente de 1769 [⁶⁵]. Em 1793, a empresa moveu sua primeira ação contra Bull, que instalara máquinas semelhantes às de Watt desde 1792. Outros processos foram abertos contra Hornblower & Marbely, resultando, em 1796, em uma liminar impedindo a construção de novos motores por eles. Um acordo entre Marbely e Boulton, perdoou os royalties perdidos desde que os dois não voltassem a infringir a patente [⁴⁶]. Mas eles o infringiram novamente, construindo com a ajuda de um engenheiro de Cornwall, Artur Woolf (1766–1837), um motor para uma cervejaria em Londres de Joseph Bramah (1748–1814).

Em 1799, Boulton & Watt venceram os processos, garantindo o pagamento de taxas de licenciamento pelos motores instalados sem autorização [⁴⁶]. Com o fim das disputas judiciais, a empresa consolidou sua posição. Entre 1755 e 1800, a Boulton & Watt instalou 496 motores, sendo 308 para acionamento de máquinas industriais, 24 para altos-fornos siderúrgicos e 164 para bombeamento de água em minas e cidades [⁶⁶]. Apesar do impacto significativo da máquina de Watt, foi apenas no século XIX que a termodinâmica se consolidou como uma teoria científica completa. Como destacado por [⁴⁶, p. 76], “Watt estava atendendo às ‘necessidades de energia’ da Revolução Industrial, mas seu impacto se tornaria ainda maior nos anos seguintes”.

2.3.5. Novas aplicações e a expansãoda tecnologia a vapor

Após 1800, James Watt e Matthew Boulton, já envelhecidos e com grande capital acumulado, afastaram-se dos negócios, transferindo a administração da Soho Foundry para seus filhos, James Watt Jr. (1769–1848) e Matthew Robinson Boulton (1770–1842), que já atuavam na empresa [⁵⁸]. A crescente familiarização do público com as máquinas a vapor impulsionou novos desenvolvimentos além do bombeamento de minas. Engenheiros buscaram novas aplicações para a tecnologia, entre eles William Symington (1764–1831), que combinou elementos dos motores de Watt e Newcomen para criar um dispositivo voltado à locomoção. Em 1800, as máquinas a vapor já estavam difundidas em diversas indústrias, como a têxtil, siderúrgica e de fundição, porém todas fixas. Symington inovou ao explorar seu uso em veículos móveis [⁴⁶]. Oriundo de uma família abastada e inicialmente destinado ao ministério, Symington estudou na Universidade de Glasgow e na Universidade de Dublin, onde aperfeiçoou seu projeto. Em 1787, patenteou um carro a vapor, mas encontrou dificuldades na aplicação terrestre. Diante disso, direcionou sua atenção ao transporte aquático, registrando, em 1801, um motor a vapor para propulsão de barcos [⁶⁷]. Outro engenheiro que vislumbrou o uso da máquina a vapor para locomoção foi William Murdoch, colaborador da Boulton & Watt. Juntamente com seu pai, John Murdoch, desenvolveu um cavalo mecânico de madeira para transporte. Em 1784, criou um modelo de locomotiva a vapor, que provavelmente foi a primeira aplicação da manivela para conversão do movimento alternativo em rotativo, princípio patenteado por Pickard em 1780. No entanto, Watt se opôs ao projeto, considerando-o inviável e temendo que Murdoch desviasse sua atenção dos interesses da empresa. Assim, a ideia não avançou [⁶⁷]. Antes de Murdoch, o capitão francês Nicolas-Joseph Cugnot (1725–1804) já havia experimentado a locomoção a vapor. Em 1769, desenvolveu o fardier à vapeur (carreta a vapor), concebido para transportar armamentos sem a necessidade de tração animal. Seu projeto utilizava alta pressão e um sistema rotativo, mas falhou devido à má distribuição de peso e ao alto consumo de combustível. “O fardier foi um sucesso técnico, mas acabou abandonado por afundar na lama e ser pouco eficiente” [⁴¹, p. 372]. Seu trabalho, no entanto, foi influenciado pelas teorias de seu compatriota Denis Papin. Richard Trevithick (1771–1833), que havia trabalhado com Bull, foi outro a explorar a locomoção a vapor. Em 1802, buscando evitar conflitos com a patente de Watt, desenvolveu uma máquina a vapor de alta pressão que dispensava o condensador. Seu pai, Richard Francis (1737–1797), gerente de minas em Cornwall, colocou-o em contato com Murdoch, que atuava na instalação de motores na região. Em 1802, Trevithick e seus sócios obtiveram uma patente para motores desse tipo e logo intensificaram seus esforços na aplicação da tecnologia à locomoção [⁴⁶].

2.4. Ciência e máquinas a vapor: conexões entre tecnologia e conhecimento científico

O desenvolvimento das máquinas a vapor, inicialmente impulsionado pela necessidade prática de drenagem de minas de carvão, passou por sucessivas melhorias estruturais ao longo dos séculos XVIII e XIX. Grande parte desses avanços foi conduzida por artesãos e engenheiros práticos, levando à falsa impressão de que a ciência teve pouca influência nesse processo. No entanto, embora uma teoria científica consolidada sobre seu funcionamento só tenha sido formulada por Sadi Carnot na década de 1820 [³⁸] a tecnologia das máquinas a vapor esteve profundamente interligada ao conhecimento científico da época. Como argumenta Kerker [⁴²]:

Em todo caso, a imagem que surge da tecnologia das máquinas a vapor é certamente mais sutil do que o mero empirismo operando no escuro, longe da luz da ciência. Certamente pareceria que, neste estágio de desenvolvimento, a ciência da pneumática estava suficientemente avançada e os engenheiros das máquinas a vapor eram suficientemente versados nessa ciência para que ela pudesse fornecer uma orientação real para a tecnologia emergente [⁴², p. 384] tradução nossa.

O século XVII marcou o crescente interesse europeu pelo conhecimento científico, refletido na fundação da Royal Society em Londres, em 1660. Composta por filósofos naturais e médicos, essa instituição aristocrática financiava estudos científicos e divulgava avanços nos Philosophical Transactions of the Royal Society, o mais antigo periódico científico em atividade [⁴⁶, ⁵⁰]. Nomes influentes como Robert Moray (1609–1673), John Wilkins (1614–1672), John Wallis (1616–1703), John Evelyn (1620–1706), Christopher Wren (1632–1723) e William Petty (1623–1687) integravam esse círculo, estabelecendo uma conexão entre a ciência e a tecnologia emergente das máquinas a vapor. Assim, Kerker [⁴², p. 387] enfatiza que “a máquina a vapor é um produto da era da ciência e deriva diretamente da ciência”. Entretanto, apesar desse apoio, a educação inglesa permanecia deficiente. A alfabetização em massa começou apenas no início do século XIX [³⁸]. Muitos buscavam formação na Escócia, em universidades como Glasgow, enquanto a França, impulsionada pela Revolução Francesa, estruturou a École Polytechnique, garantindo formação científica de alto nível. Ainda assim, a inferioridade educacional inglesa não impediu inovações tecnológicas, uma vez que o conhecimento necessário ao desenvolvimento dos motores atmosféricos já estava consolidado [³⁸, ⁴²]. Os estudos sobre pressão atmosférica foram cruciais para o desenvolvimento dos primeiros motores a vapor. Trabalhos de Galileu Galilei (1564–1642), Evangelista Torricelli e Otto von Guericke, além de experimentos de Boyle e Hooke, estabeleceram a pneumática como uma ciência matemática aplicada ao bombeamento de líquidos e gases [⁴²]. Embora esses dispositivos iniciais fossem incapazes de drenar minas profundas, serviram de base para a criação das primeiras máquinas atmosféricas [⁴⁶]. Desde o século XVII, houve esforços para criar mecanismos práticos de bombeamento baseados nas observações de Giambattista della Porta (1462–1516) sobre a elevação de água via condensação de vapor. Edward Somerset e Thomas Savery exploraram esses princípios, resultando na construção da primeira máquina a vapor prática [⁴⁰]. Contudo, o motor de Savery era ineficiente, demandando aprimoramentos. Newcomen e Calley introduziram o uso do pistão e do condensador, tornando a máquina mais eficaz e economicamente viável [⁴⁶]. O conhecimento sobre resistência e propriedades dos materiais foi igualmente essencial. Estudos de Galileu, Mariotte (1620–1684), Rondelet (1743–1829), Gravesande (1688–1742), Coulomb (1736–1806), Euler (1707–1783), Réaumur (1683–1757), entre outros, permitiram melhorias estruturais, elevando o desempenho da máquina de Newcomen [⁴²]. O engenheiro John Smeaton, por exemplo, publicou suas pesquisas sobre moinhos d’água nos Philosophical Transactions of the Royal Society, ampliando a interface entre engenharia e ciência [⁴⁶]. Diferentemente de seus antecessores, James Watt teve seu primeiro contato com a máquina de Newcomen em um ambiente acadêmico. Na Universidade de Glasgow, investigou seu funcionamento experimentalmente, baseando-se na teoria do calor latente de Joseph Black para minimizar perdas de energia e otimizar seu desempenho. Suas descobertas culminaram na criação do condensador separado e no aumento da eficiência da máquina a vapor [⁴⁶]. Em 1785, ele e seu sócio, Matthew Boulton, foram eleitos membros da Royal Society, consolidando a conexão entre ciência e tecnologia. As sucessivas patentes de Savery, Newcomen e Watt restringiram inovações mais radicais, levando a melhorias incrementais nas máquinas em operação [⁴⁰]. Ainda assim, a difusão da tecnologia exigiu profissionais capacitados. Na França, onde a Revolução Industrial era acompanhada de uma forte institucionalização científica, a École Polytechnique e outras escolas de engenharia formaram profissionais especializados em turbinas, máquinas e sistemas a vapor. Como aponta Kerker [⁴²]:

As grandes escolas de engenharia francesas forneceram ao exército, ao serviço público e à indústria engenheiros imersos na melhor tradição da ciência e da pesquisa [⁴², p. 388] tradução nossa.

A partir de 1832, a França começou a fabricar suas próprias máquinas a vapor, ainda adquirindo modelos ingleses por algum tempo [⁵²]. Paralelamente, o avanço da termodinâmica redefiniu a compreensão do funcionamento desses dispositivos. Sadi Carnot publicou, em 1824, Réflexions sur la puissance motrice du feu, estabelecendo os fundamentos teóricos das máquinas térmicas e evidenciando a relação entre calor e trabalho. Carnot, logo no início de sua obra, demonstra admiração pelo desenvolvimento da máquina a vapor ao afirmar que:

O estudo dessas máquinas é de altíssimo interesse, sua importância é imensa, seu uso aumenta a cada dia; elas parecem destinadas a produzir uma grande revolução no mundo civilizado [⁶⁸, p. 394] tradução nossa.

Também, Carnot pontua a necessidade de uma teoria que pudesse explicar o funcionamento das máquinas térmicas.

As máquinas que não recebem seu movimento do calor, aquelas movidas pela força de homens ou animais, por uma queda d’água, por uma corrente de ar etc., podem ser estudadas até os menores detalhes pela teoria mecânica. Todos os movimentos possíveis são previstos, todos os princípios são solidamente estabelecidos e aplicáveis em qualquer circunstância. Esse é o caráter de uma teoria completa. Uma teoria semelhante, obviamente, ainda falta para as máquinas térmicas. [⁶⁸, p. 397] tradução nossa.

Sua reflexão evidencia a carência de uma base científica sólida para essas tecnologias emergentes da época. No entanto, em outra passagem de sua obra, Carnot reconhece o pioneirismo britânico no desenvolvimento das máquinas a vapor, ao afirmando que:

Se a honra de uma descoberta pertence à nação onde ela alcançou todo o seu crescimento e pleno desenvolvimento, essa honra não pode ser negada à Inglaterra: Savery, Newcomen, Smeaton, o célebre Watt, Woolf, Trevithick e outros engenheiros ingleses são os verdadeiros criadores da máquina a vapor; foi em suas mãos que ela atingiu todos os seus sucessivos graus de aperfeiçoamento. É natural, aliás, que uma invenção surja e, sobretudo, se desenvolva e aperfeiçoe justamente onde a necessidade por ela se faz sentir de maneira mais premente [⁶⁸, p. 396].

Essa observação revela um aspecto fundamental: o contato de Carnot com as máquinas a vapor diferenciava-se daquele dos inventores anteriores, pois ocorria não no âmbito da construção prática, mas na formulação de uma explicação teórica para seu funcionamento. Essa abordagem não representava uma ruptura, mas sim a expansão dos impactos da tecnologia a vapor na Europa. França e Inglaterra, marcadas por conflitos políticos, econômicos e militares nos séculos XVIII e XIX, encontravam-se em contextos distintos: enquanto os britânicos lideravam os avanços da industrialização, os franceses passavam por intensas transformações sociais e intelectuais, impulsionadas pelos ideais do liberalismo e pelo fortalecimento da ciência [⁶⁹]. Carnot identificou a necessidade de uma teoria unificada para as máquinas térmicas, introduzindo o conceito do Ciclo de Carnot, que estabelecia a base da termodinâmica moderna. Ele considerava que as máquinas térmicas funcionavam com a troca de calórico entre reservatórios e, nessa troca, havia a produção de trabalho [⁷⁰]. Embora sua teoria do calórico tenha sido posteriormente descartada, suas premissas seguem fundamentais na física e na engenharia [⁴⁶]. Carnot vinculou suas investigações a um projeto social e industrial mais amplo, reconhecendo o papel revolucionário das máquinas térmicas no desenvolvimento econômico ao destacar sua capacidade de transformar setores produtivos e superar limitações energéticas. Sua abordagem integrava aspectos técnicos, econômicos e filosóficos [⁷¹]. As contribuições de Carnot ilustram a dinâmica entre ciência e tecnologia, em que novos desenvolvimentos científicos possibilitam avanços tecnológicos subsequentes. Como sintetiza Kerker [⁴², p. 390]:

As contribuições de Carnot e Watt para a ciência servem para enfatizar a natureza dinâmica da relação entre ciência e tecnologia. A contribuição de Carnot levou a novos desenvolvimentos científicos, que por sua vez forneceram a base para novas tecnologias. As conexões entre a ciência e a tecnologia das máquinas a vapor não eram simples nem estáticas. Mas uma coisa é certa. A tecnologia do motor a vapor não pode ser considerada separada do corpo da ciência [⁴², p. 390] tradução nossa.

Extrapolando essa análise, o advento das máquinas a vapor exemplifica como ciência e tecnologia são produtos humanos interligados às demandas sociais, econômicas e culturais. Este estudo buscou ampliar a compreensão desse processo histórico, distanciando-se da narrativa reducionista que atribui sua criação apenas a Savery, Newcomen e Watt. Em vez disso, evidenciamos a complexa rede de interações entre ciência, prática artesanal, incentivos econômicos e transformações sociais, que possibilitaram a Revolução Industrial.

3. Olhando o Episódio das Máquinas a Vapor Como Uma Rede de Atores

O texto histórico presente neste artigo revela a complexidade do desenvolvimento da máquina a vapor, processo que teve início no século XVII e atingiu sua maturidade com os estudos de Carnot e com a consolidação das Leis da Termodinâmica no século XIX. Para esse episódio histórico são possíveis várias abordagens didáticas e analíticas, como demonstram as dissertações de Venturine [⁷²] e Sabka [⁷³], o capítulo de Borges e Forato [⁴³], o artigo de Cavagnoli [⁴⁷] entre outros. Neste trabalho escolhemos construir e analisar este texto como uma Rede Histórica [⁷⁴]. Com o crescimento da digitalização de acervos e de técnicas computacionais a área denominada Pesquisa em Redes Históricas vem ganhando espaço na comunidade acadêmica [³⁵].

Estudos em forma de Rede proporcionam uma nova visão que as relações sociais desempenham na estruturação e no bloqueio da ação e, de modo mais abstrato, fornecem uma nova linguagem, para se discutir os níveis mais densos das relações sociais, construções simbólicas e práticas que compõem estruturas sociais tangíveis em contextos históricos [⁷⁵, p. 76].

Para demostrar esta análise, criamos uma visualização em rede do episódio histórico (Figura 4)¹¹. Esta imagem em rede foi construída a partir da análise do texto original [³⁶] e que também forneceu subsídios para a composição deste artigo. A rede em questão possui 92 Nós (atores) e 188 Arestas (conexões). Para a construção desta rede adotamos uma abordagem qualitativa feita a partir da leitura do texto, guiada pela identificação sistemática de entidades (atores). Os atores foram definidos como unidades semânticas relevantes (indivíduos) que desempenham papéis ativos ou passivos no texto. As relações entre atores (Arestas) foram inferidas a partir de marcadores linguísticos (verbos, preposições, conjunções) e contexto discursivo, registrando a natureza e a direção dos vínculos (colaboração, oposição, influência).

Figura 4:
Rede de atores humanos extraídos do texto histórico. Fonte: [⁷⁶].

A representação gráfica da rede foi gerada a partir dos dados extraídos, onde atores correspondem a Nós e conexões a Arestas. Para tanto, utilizamos o programa de computador Gephi versão 9.0¹². No Gephi, usamos a aba Laboratório de dados para inserir os Nós e seguidamente as Arestas. Na aba Visão Geral, fizemos o tratamento da rede ajustando as cores e o tamanho dos Nós pela métrica do Grau¹³. Como ferramentas de distribuição e organização visual, utilizamos as seguintes funções: Force Atlas, Expansão, Não Sobrepor e Ajuste de Rótulos. Ao final dessa etapa, realizamos o acabamento visual na aba Visualização e exportamos a imagem em alta resolução. Para este trabalho, optamos por não aplicar a análise quantitativa da rede. Reconhecemos que métricas clássicas, como Grau, Betweenness, Closeness e Autovetor, assim como a detecção de comunidades, podem ser ferramentas poderosas para revelar padrões estruturais invisíveis a olho nu, expondo dinâmicas sociais, influências e fluxos em redes. No entanto, no contexto da análise da Seção 2, sua aplicação sem adaptação crítica ao contexto histórico específico, somada a lacunas documentais e à natureza relacional das fontes do passado, poderia levar a simplificações enganosas [⁷⁷].

A análise qualitativa da rede histórica de atores humanos relacionada ao desenvolvimento das máquinas a vapor permite compreender a complexidade desse processo tecnológico, evidenciando a interconexão entre ciência, tecnologia, economia e inovação. A estrutura da rede revela que a invenção e aprimoramento das máquinas a vapor não foram resultados isolados de indivíduos geniais, mas sim de um processo coletivo, no qual múltiplos agentes desempenharam papéis fundamentais em diferentes momentos históricos. A rede evidencia que James Watt ocupa uma posição central, destacando-se pelo impacto de suas contribuições, especialmente com a introdução do condensador separado, que aprimorou significativamente a eficiência térmica das máquinas a vapor. Seu Nó de grande tamanho indica um elevado número de conexões diretas, particularmente com figuras como Joseph Black e Matthew Boulton, essenciais para a viabilização financeira e comercial de sua invenção. No entanto, a rede também demonstra que Watt não foi um ator isolado, mas sim parte de uma continuidade histórica de aprimoramentos tecnológicos que remontam os estudos sobre a pressão atmosférica.

A disposição dos atores na rede também reflete a distância temporal entre eles e as diferentes dinâmicas em que estavam inseridos. Savery, por exemplo, aparece conectado a personalidades envolvidas com dispositivos de bombeamento de água para usos diversos, como o abastecimento doméstico e irrigação de jardins aristocráticos. Newcomen, por sua vez, surge em uma posição menos densa na rede, o que pode ser atribuído à restrição imposta pela patente de Savery, que limitava inovações estruturais em dispositivos de elevação de água por meio do fogo. A análise da rede também revela a presença de cientistas como Robert Boyle, Evangelista Torricelli e Otto von Guericke, cujas pesquisas sobre gases e pressão atmosférica foram fundamentais para o desenvolvimento das máquinas a vapor. Denis Papin, que aparece bem conectado a Boyle e Hooke, propôs uma máquina baseada no uso do vapor para gerar vácuo, estabelecendo uma ponte entre os avanços teóricos e a construção de dispositivos práticos. Além disso, a rede evidencia que, mesmo após a consolidação da máquina de Watt, a ciência continuou a interagir com a tecnologia. A presença de Sadi Carnot e Lazare Carnot, embora desconectados dos demais atores, ilustra a posterior formalização teórica dos princípios da termodinâmica, evidenciando que a máquina a vapor foi desenvolvida com base nos conhecimentos científicos disponíveis na época e antes do estabelecimento de uma ciência que explicasse seu funcionamento em termos de eficiência energética. A rede histórica também destaca a importância das questões econômicas e do sistema de patentes na trajetória das máquinas a vapor.

A forte conexão entre Watt e Matthew Boulton reflete o impacto dos investimentos privados na difusão da tecnologia. Boulton adquiriu a parte da patente que cabia a John Roebuck, tornando-se peça-chave na expansão comercial das máquinas de Watt. A patente de Savery-Newcomen exerceu grande influência sobre a evolução tecnológica, pois restringiu a construção de novas máquinas, obrigando Newcomen a estabelecer uma parceria com Savery para implementar suas inovações. Posteriormente, Watt garantiu a patente de sua máquina (1769), o que permitiu um monopólio temporário de sua tecnologia. No entanto, o crescente interesse industrial e o desenvolvimento de variantes levaram a disputas de patentes, como a protagonizada por Jonathan Hornblower e Marbely, que desenvolveram máquinas de dois cilindros, desafiando a exclusividade de Watt e Boulton. A análise da rede histórica das máquinas a vapor demonstra que o avanço tecnológico nesse campo foi um fenômeno multidimensional, influenciado por interações entre ciência, técnica, economia e inovação. A estrutura da rede afasta a concepção linear e individualizada do progresso científico, destacando a interdependência entre atores e o impacto de diferentes esferas sociais na trajetória dessa tecnologia. Ademais, evidencia-se que a proteção de inovações por meio de patentes teve um papel ambíguo: por um lado, garantiu retornos financeiros para inventores e investidores; por outro, impôs barreiras que restringiram a difusão de certas inovações até o vencimento das patentes. O estudo do episódio em como uma rede histórica, portanto, fornece uma perspectiva ampla e integrada sobre o desenvolvimento das máquinas a vapor, permitindo compreender os diversos agentes e fatores que contribuíram para sua evolução e disseminação.

4. Conclusão

O desenvolvimento das máquinas a vapor, frequentemente reduzido a uma narrativa simplista centrada na tríade Savery-Newcomen-Watt, revela-se, sob uma análise aprofundada, como um complexo entrelaçamento de fatores econômicos, técnicos e científicos. Como demonstrado ao longo deste trabalho, essa trajetória não pode ser dissociada dos contextos históricos que a moldaram, tampouco das disputas por patentes e das interações entre diferentes atores que impulsionaram a Revolução Industrial. O ensino de Física, ao negligenciar essa complexidade, perde uma oportunidade valiosa de integrar a Natureza da Ciência ao aprendizado dos alunos, restringindo-se a apresentar a termodinâmica como um conjunto de leis estabelecidas de forma descontextualizada.

Como apontado por Guerra e Moura [⁷⁸], a ausência de um tratamento histórico adequado não apenas empobrece a aprendizagem, mas também dificulta a compreensão dos alunos sobre a ciência como um empreendimento humano, permeado por disputas, desafios e influências externas. Entendemos que os livros didáticos, por limitações obvias, não são capazes de fornecer episódios históricos complexos e estruturados que possam ampliar as visões de ciência de alunos e professores. A literatura especializada tem enfatizado que a HFC deve ser abordada não como um apêndice ilustrativo da teoria, mas como parte essencial da construção do conhecimento científico. Nesse sentido, o estudo das máquinas a vapor pode servir como um exemplo paradigmático para discutir não apenas os princípios da termodinâmica, mas também as dinâmicas sociais e econômicas que influenciaram sua formulação e aplicação.

Este trabalho buscou avançar nessa direção ao propor uma abordagem fundamentada na Pesquisa em Redes Históricas, oferecendo um recorte histórico e uma análise que incorpora múltiplos atores – humanos e não humanos – e evidencia a complexidade do episódio histórico em questão. Nesse contexto, os aportes teóricos e metodológicos discutidos ao longo do trabalho contribuíram para estruturar uma leitura em que a perspectiva das redes não apenas organiza a análise, mas atua como linguagem histórica capaz de expressar relações, tensões e fluxos muitas vezes negligenciados por abordagens lineares. Em articulação com a História Cultural da Ciência e a História Social do Conhecimento, essa perspectiva permite deslocamentos narrativos importantes, ao destacar como sujeitos, saberes e tecnologias se conectam no tempo e no espaço. Essa abordagem é especialmente promissora na construção de materiais e de estratégias didáticas que representem a ciência como um processo vivo, interativo e multidimensional.

A partir do enredo histórico, foi construída e disponibilizada uma rede histórica que permite visualizar as diversas conexões e compreender como diferentes agentes – estudiosos, engenheiros, artesãos, industriais e gestores – contribuíram para o desenvolvimento das máquinas a vapor. A análise qualitativa dessa rede revela caminhos e conexões que, por vezes, não são evidentes apenas por meio da leitura crítica do texto. Além disso, as redes históricas podem oferecer novas possibilidades para dinâmicas em sala de aula, em diferentes níveis de ensino, como demonstrado em outros trabalhos, tais como [⁷⁹, ⁸⁰, ³⁷, ⁸¹, ⁸²], entre outros. Além de fornecer um suporte teórico para a docência, este estudo reforça a importância de integrar discussões sobre a economia na ciência. A disputa por patentes entre inventores como Watt, Hornblower e Bull exemplifica como o avanço tecnológico esteve intrinsecamente ligado a estratégias comerciais e ao controle da propriedade intelectual, elementos essenciais da NdC [³, ⁷, ²⁵]. A omissão desse componente na educação científica leva à perpetuação de uma visão ingênua da ciência, desconsiderando que os avanços tecnológicos estão profundamente conectados a fatores socioeconômicos e interesses industriais [²⁰, ⁸³]. Dessa forma, este trabalho propõe um texto auxiliar robusto como uma alternativa de bibliografia complementar e apontamentos didáticos que possibilitam uma visão contextualizada da ciência. Ao articular elementos da História Cultural e Social da Ciência com as Redes Históricas, reforçamos a importância de ensinar a Física não apenas como um conjunto de eventos, mas como um empreendimento humano complexo, dinâmico e influenciado por múltiplas forças. Quando a ciência é apresentada sem a devida contextualização, corre-se o risco de perpetuar uma visão dogmática do conhecimento, na qual leis e conceitos científicos surgem como verdades absolutas, desvinculadas dos contextos sociais, econômicos e históricos que os moldaram. A produção e divulgação de materiais de aprofundamento, aliadas a diversas estratégias de ensino da história da ciência, como o uso de redes históricas, podem contribuir para desmistificar a ideia da ciência como um processo linear e homogêneo, evidenciando sua complexidade e suas múltiplas interações com a sociedade.

Por fim, se queremos formar cidadãos cientificamente alfabetizados, capazes de compreender a ciência em sua completude e não apenas em sua dimensão técnica, é fundamental repensar a forma como a história das máquinas térmicas é ensinada. Integrar a História da Ciência ao ensino da Física não é apenas uma questão de enriquecer o conteúdo curricular, mas de oferecer aos alunos um conhecimento mais abrangente e reflexivo sobre a própria natureza do saber científico. Afinal, compreender a ciência significa entender não apenas suas leis e equações, mas também suas disputas, interesses e transformações ao longo do tempo. A história das máquinas a vapor nos ensina que a ciência não avança no isolamento, mas sim na intersecção entre tecnologia, economia, política e sociedade – uma lição que não pode ser negligenciada em sala de aula.

Disponibilidade de Dados

Os dados utilizados para gerar as análises e a rede histórica deste estudo estão disponíveis publicamente no repositório Zenodo. O conjunto de dados inclui o arquivo de nós (atores) e arestas (conexões/relações) no formato CSV, permitindo a total reprodução da rede analisada no software Gephi. Os dados podem ser acessados por meio do seguinte identificador permanente: DOI: [10.5281/zenodo.17138214] (URL: https://zenodo.org/records/17138214).

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• ⁸² L.Z. Souza, Ensino do espectro da luz a partir da construção de redes históricas, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora (2025).
• ⁸³ H.E. Gandolfi, Journal of Research in Science Teaching 58, 551 (2021).

• 1
  Édito de Nantes foi um decreto promulgado pelo rei Henrique IV da França em 1598. Ele concedia direitos e liberdades religiosas aos protestantes, garantindo-lhes o direito de praticar sua fé em certas áreas designadas.
• 2
  Henry Oldenburg foi o primeiro secretário da Royal Society.
• 3
  Um dos fundadores da Royal Society, sendo seu segundo presidente.
• 4
  Smeaton, publicou 18 artigos no Philosophical Transactions of the Royal Society, dentre eles, o que tratava das máquinas a vapor, recebeu o título: “An experimental enquiry concerning the natural powers of water and wind to turn mils, and other machines, depending on a circular motion” (Uma investigação experimental sobre os poderes naturais da água e do vento para girar moinhos e outras máquinas, dependendo de um movimento circular).
• 5
  A primeira publicação mencionada foi uma carta de Black, destinada a Jhon Pringle (1707–1782), presidente da Royal Society de 1772 a 1778, de título: “The supposed effect of boiling upon water, in disposing it to freeze more readily, ascertained by experiments” (O suposto efeito da fervura sobre a água, ao descartá-la para congelar mais prontamente, verificado por experimentos) em 1755 [⁵⁹]. A segunda, em 1783, um artigo de título: “Experiments for ascertaining the point of mercurial congelation” (Experimentos para determinar o ponto de congelamento do mercúrio), escrito juntamente com Thomas Hutchins (1742–1790) [⁶⁰].
• 6
  Não existem registros confiáveis sobre as datas de nascimento e morte de John Morgan. É comum, na segunda metade do século XVIII, que artesãos como Morgan não tenham deixado registros pessoais completos. No entanto, repositórios conceituados, como o Science Museum Group Collection, confirmam sua atividade profissional [⁶¹].
• 7
  Ferramentas de precisão para medição, navegação, astronomia e experimentação científica.
• 8
  A siderúrgica fundada por John Roebuck, seus irmãos, Thomas Roebuck(1725–1772), Bejamin Roebuck (1712–1796) e Ebenezer Roebuck(1719–1771); Samuel Garbett (1717–1803), um comerciante de Birmingham; William Cadell (1708–1777), um comerciante de escocês e William Cadell jr. (1737–1819).
• 9
  A Soho Manufactory foi inaugurada em 1766 funcionando até 1848. Sua produção era voltada para artigos de metal decorativos (chamados “toys” no século XVIII, como botões, fivelas, caixas de rapé e joias).
• 10
  Não foram encontrados registros confiáveis sobre datas de nascimento e morte de James Pickard. Há, contudo, registros confiáveis de seu dispositivo usado para converter o movimento reciprocante da máquina a vapor em movimento rotativo (Patente n. 1263 de agosto de 1780) [⁶⁴].
• 11
  Devido ao tamanho da imagem escolhemos coloca-la em uma página inteira.
• 12
  O Gephi é um software de código aberto e gratuito. Destinado à visualização e exploração de todos os tipos de grafos e redes.
• 13
  Em uma rede, o grau de um Nó representa o número de conexões diretas que ele possui com outros nós, indicando sua centralidade local. Quanto maior o grau, mais conectado o nó está, sugerindo maior influência ou relevância dentro da estrutura da rede.

Editado por

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

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  27 Out 2025
• Data do Fascículo
  2025

Histórico

• Recebido
  31 Mar 2025
• Revisado
  11 Ago 2025
• Aceito
  04 Set 2025