A Primeira Lei Da Termodinamica

A Primeira Lei da Termodinâmica

Sipnose

A maioria das transformações químicas resulta em alterações de temperatura. Por isso a Termodinâmica e uma ciência importante no mundo da química. Este trabalho e uma abordagem pedagógica da Primeira Lei da Termodinâmica, que se faz de forma histórica e contextualizada. São apresentadas as propriedades termodinâmicas e diversas formas de energia através de diversos exemplos, em especial, das transformações gasosas.

Introdução

Termodinâmica e a ciência que estuda as transformações de energia nas quais as variações de

temperatura são importantes. A maioria das transformações químicas resulta em alterações nas

temperaturas e, portanto os químicos sempre estiveram envolvidos no desenvolvimento da

Termodinâmica como ciência. Vamos neste texto mergulhar no mundo das diversas formas de energia

tais como cinética, potencial, térmica, mecânica, elétrica e ver como os conceitos e princípios da

Termodinâmica foram sendo desenvolvidos, ao longo dos séculos, por grandes cientistas que não só

perceberam a natureza, mas também procuraram atender a diversas necessidades da humanidade. A

Termodinâmica e essencialmente uma ciência experimental que só recebeu um formalismo teórico

muito tempo depois. O foco da presente exposição e a Primeira Lei da Termodinâmica, que trata da

conservação da energia.

História da Termodinâmica

Das mais variadas transformações de energia, talvez a que mais fascinava os cientistas em meados do século XIX era a possibilidade de converter calor em movimento através das Maquinas Térmicas. A baseado funcionamento das maquinas térmicas e simples: quando se aquece um gás, ele expande. Possivelmente a primeira máquina térmica que se tem notícia foi uma máquina a vapor desenvolvida por Heron de Alexandria, por volta do ano 50 d.C. Heron descobriu que ar se expandia no aquecimento e poderia ser usado para produzir uma forca mecânica e com isto, acionar diversos mecanismos (ele conseguia abrir portas de templos “misteriosamente” a partir de fornos colocados nos altares. Os trabalhos de Heron foram perdidos e só por volta de 1600, Giovanni dela Porta os recuperou com grande sucesso (mas mediante de ar por vapor). Leonardo da Vinci foi outro que usou vapor de agua para produzir movimentos.

Vários inventos importantes de da Vinci não foram executados por falta de equipamentos mecânicos capazes de produzir trabalho. Afinal, a capacidade de trabalho de homens ou animais e bastante limitada, lenta e irregular. Algo mais sistemático era necessário. A invenção da pólvora pelos chineses foi absorvida e transformada em fonte de potência de armamentos pelos europeus. Uma arma e, essencialmente, um motor que converte a forca expansiva de uma explosão em movimento mecânico (da bala). Devido as inerentes dificuldades do aproveitamento deste movimento, a pólvora não foi usada, apesar de ideias de cientistas como Christiaan Huygens no século XVII.

Por volta do ano de 1700, Thomas Savery produziu, com base nas propriedades do vapor d’agua, uma bomba para retirar a agua das minas de carvão da Inglaterra, minimizando um dos grandes problemas da época. O equipamento de Savery não era, rigorosamente falando, um motor, pois não possuía partes moveis. Esse mérito teve o equipamento desenvolvido por Thomas Newcomen em 1705, no qual já se observa a existência de um pistão móvel. Foi um grande sucesso comercial, embora as válvulas devessem ser abertas e fechadas manualmente o tempo todo2. Em 1763, o escocês James Watt, um brilhante engenheiro, recebeu uma dessas maquinas para conserto e percebeu que havia um grande desperdício de vapor (que custava dinheiro para ser produzido). Watt, trabalhando na Universidade de Glasgow, teve a oportunidade de conhecer um cientista famoso, Joseph Black3, que o ajudou a entender as propriedades do vapor d’água. Os dois fizeram inúmeras alteracoes4 nos projetos anteriores produzindo assim maquinas melhores, que foram usadas para acionar moinhos, movimentar trens, teares (maquinas têxteis), além, e claro, de bombear agua. O sucesso da primeira Revolução Industrial na Grã-Bretanha se deve, em grande parte, ao uso dessas maquinas térmicas a vapor. A busca pelo aperfeiçoamento das maquinas térmicas levou o cientista francês Sadi Carnot (1796-1832) a desenvolver em 18245 toda uma teoria para explicar o rendimento, ou seja, o quanto de calor a máquina transformava em trabalho. Foi um momento histórico. Antes disso, as tentativas de melhorar o rendimento das maquinas eram na base da tentativa e do erro. O trabalho de Carnot teve como fundamento o método cientifico. A partir das suas observações e nas de outros cientistas, Carnot criou um modelo teórico para as maquinas térmicas e descobriu qual deveria ser a maneira mais eficiente de transformar calor em movimento, e deu certo. A pratica confirmou a teoria.

A Termodinâmica no cotidiano.

As maquinas térmicas são usadas equidistantes em nosso dia a dia. Pense nos diversos dispositivos que convertem a energia gerada pela queima de combustíveis em energia mecânica como, por exemplo, os motores de veículos. E a geladeira, que trabalha para inverter o sentido natural da troca calor. E ainda as usinas termelétricas que consomem combustível para gerar eletricidade. Pense em outros exemplos!

As transformações de energia acontecem a todo tempo em toda parte. Veja a tabela abaixo com alguns exemplos de conversão de “energia 1” em “energia 2” e tente completa-la:

Figura 1: Exemplos de conversão de “energia 1” em “energia 2

Os exemplos acima mostram que as diversas formas de energia podem ser convertidas umas nas outras mediante o uso do equipamento ou processo adequado. Podemos, por exemplo, converter energia potencial da agua caindo em uma cachoeira em energia cinética de uma roda d’agua, desta em energia elétrica conectando a roda d’agua a um gerador, análogo ao que ocorre nas centrais hidrelétricas. Diversos cientistas, ao longo dos séculos, observaram essas transformações e efetuaram medições das quantidades de energia envolvidas nelas.