A Experiência de Joule

Calor é uma forma de energia!

A frase que dá nome a este artigo é um óbvio para os que estão no meio científico, mas a concepção de calor nem sempre foi esta. O experimento realizado em 1845 por James Prescott Joule é um dos clássicos da termodinâmica, o qual demonstrou que o calor, antes visto como uma substância, era na verdade uma forma de energia e também equivalente ao trabalho.

Na época da experiência de Joule a natureza do calor ainda não era bem compreendida, pois a Termodinâmica da época baseava-se na teoria do calórico, formulada em 1770 por Joseph Black. O calórico, segundo Black, era um fluido que seria composto de partículas minúsculas que se repeliriam umas às outras, mas seriam atraídas pela matéria. A teoria  do calórico propunha-se  a explicar um conjunto de fenômenos ligados ao calor. A contração e a expansão observadas com o resfriamento e aquecimento, respectivamente, eram exemplos de observações ligadas ao calórico. Para Black, a expansão e a contração eram resultado  do acúmulo e  liberação de calórico.

A teoria mecânica do calor foi enunciada pela primeira vez em 1842, por Julius R von Mayer. Para ele, calor e trabalho eram equivalentes. Sua inspiração a essa suposição de equivalência  veio da observação de um cavalo  suando enquanto puxava uma carga morro acima. Ele deduziu que o cavalo estava com calor não porque estivesse se movendo,  mas por  causa do  trabalho físico que  tinha  que executar para gerar o movimento.

Mayer tentou provar sua tese montando um experimento em uma fábrica de papel, na qual a polpa era mexida num enorme  caldeirão por um cavalo girando em círculo. Medindo o aumento na temperatura da polpa, ele obteve um número para a quantidade de calor produzido por uma dada quantidade de trabalho mecânico executado pelo cavalo. Com  seus experimentos primitivos, Mayer recebeu pouco crédito nos livros de ensino e na própria história da ciência, apesar de ter sido o primeiro a conceber esta idéia original sobre calor. A comunidade científica  da época desdenhou  os experimentos e  hipóteses de Mayer a respeito da relação entre calor e trabalho.  Em vez disso, os créditos foram para um cervejeiro inglês chamado James Prescott Joule.

Joule demonstrou, experimentalmente, entre 1843 e 1850, que a hipótese de Mayer era coerente. “Joule”, escreveu o seu  biógrafo Donald Cardwell,“conseguiu  estabelecer que calor  e trabalho são intercambiáveis, que a relação entre ambos é fixa e é inteiramente independente dos materiais ou dos processos empregados.”

A principal  experiência do físico inglês, apresentada  em 1845  em uma monografia  à Royal Society inglesa, consistiu  em dispor uma roda  de pás  em uma cuba de água  (veja Figura 1). O movimento das palhetas da roda  lhes era comunicado por um molinete que, quando girava, promovia a queda de dois pesos, de quatro libras 3  cada. Estes caíam de uma altura de cerca de doze jardas , a uma velocidade de um pé  por segundo – uma velocidade de queda relativamente lenta, visto que havia uma grande resistência da água às palhetas da roda.

A queda dos dois pesos arrastava então as palhetas, por meio do molinete, e a fricção gerada pelo movimento das palhetas na água da cuba deveria aquecer a água (a temperatura se elevaria, pois a água efetuava um trabalho ao resistir ao movimento das palhetas). A operação foi repetida dezesseis vezes; depois a temperatura da água foi determinada com auxílio de um termômetro muito  sensível, capaz de detectar diferenças de temperatura de 1/100 de grau Fahrenheit .

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O próprio Joule descreveu seus resultados:

“Uma série de nove experiências [com o dispositivo da roda de pás] foi efetuada, [...] a fim de  eliminar os  efeitos  devidos ao resfriamento da atmosfera  [sobre as duas massas]. [...] Posso concluir que a existência de uma relação de equivalência entre o  calor e as formas comuns de energia mecânica está demonstrada; e deduzir o valor de 817 libras, média das três classes de experiências, como equivalente  [mecânico do calor], até que  experiências mais precisas sejam feitas".

Cinco anos depois, em 1850, Joule apresentou aos membros  da Royal Society uma nova monografia. Nela, foi relatada uma série de experimentos semelhantes em todos os pontos ao de 1845, mas para os quais ele utilizou jogos  diferentes de palhetas para a roda de pás: um primeiro jogo de latão, um segundo de ferro forjado e um terceiro de uma liga de ferro e carbono. Além disso, os dois últimos jogos foram imersos em mercúrio e não em água. Graças a essa experiência, Joule pôde demonstrar, agora mais   veementemente, que a relação entre calor e trabalho era fixa e inteiramente independente dos materiais e processos empregados.

Joule obteve três séries de resultados nessa experiência: 772,692; 774,083  e  774,987 pés-libras. Escolheu finalmente o valor de 772  pés-libras como equivalente mecânico da caloria –  uma cifra notavelmente próxima  do valor  moderno,  que é de 778 pés-libras (ou seja,  com as unidades utilizadas hoje, cerca  de 1.054 J). É importante salientar também que a  experiência  de Joule forneceu a primeira ilustração convincente do princípio de conservação de energia, uma das leis fundamentais da física moderna.

Após  a  morte de  Joule,  em  1889,  em  sua  homenagem,  o  SI  (Sistema Internacional de Unidades) dá seu nome à unidade relacionada à energia (trabalho ou quantidade de calor), que tem como símbolo a letra “J” em maiúsculo. Por definição, um joule é equivalente ao trabalho exercido quando o ponto de aplicação de uma força de intensidade 1 N (um newton) se desloca de uma distância igual a 1 m (um metro) na mesma direção da força.

A Experiência de Joule - Ed. Moderna ....link

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