Físicos

Nicolas Léonard Sadi Carnot

  

 (1796 - 1832)

Dominando a física e a química até fins do século XVIII, a "teoria do calórico" considerava o calor como um fluido; espalhado por toda a natureza, esse fluido era propagado ou conservado pelos corpos, de acordo com suas propriedades e temperatura.

A hipótese do calor como resultado do movimento molecular - sendo representado por esse próprio movimento foi levantada por Rumford, Davy, Lavoisier e Laplace. Estes não encontraram, todavia, métodos suficientemente eficientes para explorá-la a fundo.

O desenvolvimento da máquina a vapor por James Watt e as experiências de Rumford sobre o aquecimento produzido por rotações rápidas com atrito levantaram a questão da correspondência entre calor e trabalho mecânico. Os efeitos registrados por Rumford eram totalmente incompatíveis com as teses simplistas dos defensores do "calórico".

Paralelamente, diversas pesquisas sobre o aquecimento dos gases por compressão e seu resfriamento por expansão evidenciaram de forma incontestável a relação entre trabalho e calor.

Entretanto, a primeira tentativa de abordagem racional do problema surgiu em 1824, na obra "Réflexions sur Ia Puissance Motrice du Feu". Seu autor foi Sadi Carnot.

Decorria o ano de 1796. Lazare Carnot, um dos cinco membros do Diretório - o órgão que dirigiu a França de 1795 a 1797 -, habitava o palácio de Luxemburgo, em Paris. Foi lá que, no dia 1º de julho, nasceu Nicolas Léonard Sadi Carnot. Seu pai, chamado durante a Revolução de "grande Carnot", dirigiu durante cerca de quatro anos as finanças da França. Como militar, elaborou novas técnicas militares, novos esquemas de fortificação, encontrando ainda tempo para dedicar-se à filosofia e à matemática. Suas considerações sobre essas duas ciências foram publicadas sob o título "Réflexions sur Ia Métaphysique du Calcul Infinitesimal".

No ano seguinte ao nascimento do pequeno Carnot, um golpe de Estado dissolveu o Diretório e, ao mesmo tempo, a família Carnot: Lazare foi obrigado a refugiar-se na Alemanha. Sadi e sua mãe regressaram a Saint-Omer, em Pas-de-Calais. Pouco tempo depois, os Carnot puderam reunir-se novamente: foi então que Lazare decidiu abandonar a vida política. Datam dessa época diversos trabalhos seus sobre geometria, estática e dinâmica.

Com apenas dezesseis anos, Sadi ingressou na Escola Politécnica de Paris. Dois anos depois, em 1814, foi obrigado a abandoná-la e a transferir-se para Metz, como aluno da École d'Application, um estabelecimento militar de ensino.

O momento era grave para a França, ameaçada que estava de invasão inglesa.

Sadi integrava nessa época o corpo de defensores de Paris. Seu pai, exilado pela Restauração depois dos Cem Dias, passou os últimos anos de sua vida em Magdeburgo educando Hippolyte, seu segundo filho. Foi lá que Lazare morreu, em 1823. Em 1889, durante as comemorações do centenário da tomada da Bastilha, seu corpo foi transladado para o Panteão de Paris.

O passado militar de Lazare refletiu-se profundamente na vida de Sadi. Até 1819, ano em que passou à reserva, era continuamente transferido de uma praça militar a outra. Dividia seu tempo, desde então, entre estudos científicas e pesquisa literária; dispersava sua atenção pelos mais diversos campos: da música à dança, da equitação à física ou à matemática.

Foi nessa época que ele começou a se interessar pelo problema que há dezoito séculos vinha desafiando gerações de físicos - a relação entre calor e trabalho. E foi essa questão que o absorveu inteiramente durante alguns anos.

Carnot ainda hesitou entre o conceito de calor como fluido material e a noção de calor como resultado de movimentos moleculares. Decorre daí o fato de ele não ter iniciado suas pesquisas pelo estudo do equivalente mecânico do calor; visou primeiramente a dissecar o mecanismo teórico de funcionamento das máquinas térmicas. Isso o conduziu à visualização do segundo princípio da termodinâmica.

Carnot demonstrou que o funcionamento de toda máquina térmica supõe uma fonte quente e uma fonte fria; há então o transporte de uma quantidade de calor da primeira para a segunda. A "máquina a fogo" é, portanto, comparável ao moinho de água. Da mesma forma que é preciso uma queda de água para acionar um motor hidráulico, também é necessária uma "queda" de temperatura para se impulsionar um motor térmico. A analogia mecânica que guiou a pesquisa de Carnot deixou imprecisa a natureza do calor; sugeria talvez uma interpretação dentro da teoria do fluido calórico. Todavia, foi a partir dessas considerações que Carnot postulou um princípio fundamental: em uma máquina térmica, funcionando em condições ideais, a uma certa quantidade de calor fornecido à caldeira corresponde um trabalho recolhido, independente dos agentes postos em ação para realizá-lo; esse trabalho é fixado unicamente pelas quantidades de calor trocadas entre o motor térmico e o ambiente.

Em 1842 e 1843, os trabalhos teóricos de Robert Mayer introduziram claramente a noção de equivalência entre calor e trabalho e elevaram o princípio da conservação de energia ao grau de lei, aplicável a todos os fenômenos térmicos.

O impulso definitivo, entretanto, foi dado pelas experiências de James Joule em 1843. Estas evidenciaram a proporcionalidade entre o desprendimento de calor e o trabalho fornecido, resultando daí uma definição precisa de equivalente mecânico do calor. O conceito de energia, latente em todos os desenvolvimentos da mecânica clássica, recebeu com Helmholtz uma aplicação geral. Um corpo possui energia mecânica caso possa produzir trabalho; os fenômenos do calor, da eletricidade e das combinações químicas podem ser associados à produção de trabalho. Partindo disso, Helmholtz pôde enunciar o princípio de que se, em um sistema isolado, desaparece certo trabalho ou equivalente de trabalho pertencente a diversas formas de energia, a mesma energia deve aparecer sob outras formas.

O ciclo de Carnot

Abandonado o problema da construção de máquinas a vapor, Carnot procurou uma regra que permitisse relacionar entre si a energia mecânica por elas produzida e o calor fornecido. Intuiu, dessa forma, o primeiro princípio da termodinâmica, que nada mais é que uma reafirmação do princípio da conservação de energia.

Carnot, depois de realizar uma análise cuidadosa do funcionamento do motor térmico, construiu uma máquina que, trabalhando com gás aquecido ou resfriado, servia para medir a quantidade de energia mecânica produzida; permitia também calcular a porcentagem de energia térmica transformada em mecânica. O funcionamento dessa máquina englobava quatro fases, o que hoje é chamado de ciclo de Carnot: a partir de um estado inicial, o sistema expande-se isotérmicamente (absorvendo calor do ambiente) até atingir um segundo estado; a partir deste, a expansão é adiabática, e consequentemente a temperatura diminui; daí em diante, o volume do sistema começa a reduzir-se isotérmicamente, até alcançar o estado final; uma compressão adiabática conduz o sistema ao ponto de partida, fechando assim o ciclo.

Uma das características do ciclo de Carnot é o fato de que as transformações que o compõem são totalmente reversíveis, isto é, podem ser realizadas em sentido inverso, percorrendo as mesmas etapas intermediárias.

Aplicável não apenas à máquina a vapor, mas a qualquer máquina térmica, o ciclo de Carnot fornece os dados necessários para calcular seu rendimento ideal.

Em 1824 surgiu a primeira publicação da obra fundamental de Carnot, "Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu".

Notas complementares dessa obra, bem como diversos estudos realizados posteriormente, foram revelados somente depois de sua morte. Em 1878, Hippolyte, seu irmão, apresentou essas notas à Academia de Ciências. Nelas estava esboçado o segundo princípio da termodinâmica. A comunicação, porém, veio tarde, pois a essa altura tal princípio já havia sido formulado.

Um de seus enunciados é devido a Clausius: "O calor passa espontaneamente dos corpos de temperatura maior para os de temperatura menor".

É em virtude desse princípio que, quando dois corpos - inicialmente a temperaturas diferentes - são postos em contato, tendem a atingir a mesma temperatura; o contrário, isto é, quando corpos de temperaturas iniciais iguais evoluem para temperaturas diferentes, nunca ocorre espontaneamente; para consegui-lo é necessário despender energia. Lord Kelvin expressa o princípio nos seguintes termos: "Não é possível, sem permanentes alterações no sistema ou no ambiente, transformar totalmente uma certa quantidade de calor em trabalho".

Enfraquecido pela escarlatina e por uma febre cerebral, Carnot, que foi um dos principais responsáveis pela introdução de bases sólidas no estudo dos fenômenos térmicos, foi vítima fácil da epidemia de cólera que assolou Paris em 1 832. Morreu a 24 de agosto desse ano.

 

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