Os experimentos de Joule e a primeira lei da termodinâmica

3603-2 Passosinventores tentassem registrar patentes de máquinasque pretendiam produzir trabalho do nada, o chamadomoto perpétuo, conforme registram Kuhn [5] e Hogben[6]. Em 1775, a Academia de Ciências de Parispassou a recusar a publicação em seus anais de descriçõesde invenções de motos perpétuos [3]. Apesar daaparente ingenuidade, quando vistas com o olhar dosdias de hoje, muitas daquelas tentativas de criação domoto perpétuo acabaram por contribuir para o estabelecimentoda primeira lei [3].No presente artigo, pretende-se resgatar alguns dosaspectos históricos, com ênfase nos resultados de Joulee de Mayer para o equivalente mecânico do calor. Asprincipais formulações para a primeira lei são apresentadasno Anexo, como indicador de caminhos que podemser pesquisados visando a futuras contribuiçõesao ensino da termodinâmica. Dentre os vários trabalhosconsultados e estudados destacamos o estudode Kuhn [5] sobre a “simultaneidade” das descobertasconcernentes à conservação da energia, o curso de termodinâmicade Poincaré [7], alguns dos artigos de Joule[8], e os dados históricos apresentados no capítulo I dolivro de Bejan [4] e na primeira parte do livro de Hogben[6], dedicada à conquista da energia. O objetivoda pesquisa, Passos [9-11], é tentar mostrar a ponte entreo ensino atual da termodinâmica e as suas origens,buscando, sempre que possível, os textos originais dospioneiros da termodinâmica.2. Um longo processo de amadurecimento“A produção moderna de energia começa com o empregodo vapor em meados do século XVII” [6]. Asmáquinas térmicas que então passaram a ser desenvolvidase utilizadas inicialmente para bombear águadas minas de carvão, foram aos poucos substituindo asrodas d’água e os rotores eólicos em várias atividadesindustriais. Mas o advento da máquina a vapor e aconsequente revolução técnica que originou a revoluçãoindustrial também se beneficiou do desenvolvimento demecanismos ocorrido durante os três séculos anterioresem que o vento e a água, além da força animal, reinaramcomo fontes absolutas de energia, conforme se lê emHogben [6]. Foi preciso preparar o terreno para o florescimentode novas idéias e a cristalização do princípiode conservação da energia como lei geral e invarianteda natureza.Kuhn [5] mostra que já existia um conjunto de diferentesprocessos de conversão devido à proliferação deinúmeros fenômenos descobertos ao longo do séculoXIX, como a pilha de Volta, em 1800, que permitiuobter eletricidade por meio de reações químicas. Em1822, Seebeck descobriu o efeito que leva o seu nome querelaciona o efeito térmico a um sinal elétrico (tensão)quando as extremidades de dois fios de materiais distintosestão em contato com meios a temperaturas diferentes[12]. Em 1834, Peltier verificou um efeito, quetambém leva o seu nome, reverso ao de Seebeck, quepermite transferir calor de um ponto frio a um pontoquente, como um refrigerador, por meio da aplicaçãode uma tensão elétrica [12]. Também foi descoberta arelação do magnetismo com a eletricidade, dentre outrosfenômenos.Na segunda metade do século XVIII, Lavoisier eLaplace publicaram em 1783 [13], o resultado de seusestudos sobre a fisiologia da respiração em um tratadosobre o calor (“Mémoire sur la Chaleur”), onde relacionavamo oxigênio inspirado com o calor perdidopelo corpo, conforme Kuhn [5], que permitiram que asprimeiras idéias sobre o balanço de energia começassema ser consideradas. Os conceitos de Lavoisier sobre abioquímica e relacionados à oxidação do sangue foramretomados pelo médico alemão Julius Robert Mayer(1814-1878). Em 1840. Mayer estava a serviço da marinhaholandesa, na ilha de Java [14], quando percebeuque o sangue de seus pacientes, no clima maisquente, era mais escuro do que no clima mais frio daEuropa, e associou esta diferença da cor a maior quantidadede oxigênio no sangue, nas condições tropicaisda ilha, causadas pela menor combustão dos alimentospara manter o calor do corpo [15]. Destas observaçõesMayer concluiu que a energia mecânica dos músculosprovinha da energia química dos alimentos, sendo intercambiáveisa energia mecânica, o calor e a energiaquímica [15]. Mayer considerou que a oxidação internadeve balancear-se com respeito à perda de calorpelo corpo bem como com respeito à atividade físicaque o corpo desempenha, conforme Kuhn [5]. Eis aí oprincípio da conservação da energia e da equivalênciados processos de conversão de energia.Um dado interessante sobre o pioneirismo do avançoda engenharia do vapor, termo bastante frequente emKuhn [5], é o fato, conforme descrito por Hogben [6,p. 59], de “Boulton e Watt terem vencido a desconfiançacontra a máquina a vapor graças a uma curiosacláusula de venda do seu produto que consistia, enquantovigorasse a patente - entre 1769 e 1800 - naconcordância de que os compradores da máquina pagassemum prêmio igual à terça parte da economia decombustível conseguida pela substituição da máquinade Newcomen pela de Watt”. O que significava basearo lucro dos dois sócios no custo da produção de energia[6]. A necessidade de se determinar com precisão ocusto da energia produzida fez com que a determinaçãode fatores de conversão, como o equivalente mecânicodo calor, passasse a ser uma exigência dos novos temposem que a máquina a vapor passou a ter um importantepapel na economia. Porém medir não é, e nunca foi,tarefa fácil: vários sistemas, instrumentos e métodostiveram de ser desenvolvidos, além de meios para seevitar a fraude, como um contador mecânico fixo aoeixo da máquina que servia para contar o número decursos do êmbolo e que era mantido em caixa fechada