Texto Histórico Mayer e Joule: Princípio da

Grupo Experimentando
PROFIS – Instituto de Física da USP
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Mayer e Joule: Princípio da Conservação da Energia
“O calor... pode ser definido como um movimento peculiar dos corpúsculos dos corpos, provavelmente de vibração,
que tende a separá-los ”.
(Humphry Davy, 1799).
Como vimos no texto anterior, até o século XVIII, a natureza do calor ainda era objeto de
intenso debate. Alguns acreditavam que calor e energia eram grandezas independentes, cada
uma com sua conservação, e, outros, que calor era apenas uma forma de
energia de movimento das partículas dos corpos.
Um argumento forte contra a teoria do calórico surgiu com as
observações experimentais de Rumford, quando notou, durante a fabricação de
canhões de bronze, que os blocos desse metal tornavam-se incandescentes na
medida em que a broca os perfurava. Percebeu que o bronze continuava
incandescente mesmo com a broca “cega”, sem a capacidade de furar, isto é,
quando já não produzia “lascas” que, ao cair, deixariam seu próprio calórico no bronze,
aquecendo-o. No trabalho que enviou para a Royal Society of London, ele concluiu que “...torna-se
quase desnecessário dizer que tudo aquilo que um corpo qualquer ou sistemas de corpos é capaz
de produzir ilimitadamente não pode ser uma substância material, e a mim parece difícil, senão
impossível, formar a idéia de uma coisa que se desprenda e se comunique no decurso dessa
experiência, a não ser o movimento.” Se o calor não poderia surgir “do nada”, sua fonte só podia
ser o movimento.
Apesar dos estudos de Rumford, o debate entre caloristas e partidários do calor-movimento
só terminou quando se pôde comparar experimentalmente quantidades de calor e de energia, isto
é, calcular o que se denomina equivalente mecânico do calor. Isto só foi realizado na metade do
século XIX, a partir dos trabalhos de Julius Mayer e James Joule.
Trabalhando como médico em uma expedição marítima aos trópicos, Mayer conhecia bem
o fato de o sangue venoso, que contém menos oxigênio, ser mais escuro do que o sangue arterial.
Durante a expedição percebeu que o sangue venoso era muito mais claro do que o sangue
venoso que observara em sua terra natal, a Alemanha. Mayer conhecia a teoria do calor animal de
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Lavoisier, segundo a qual o calor animal era o resultado da combustão do oxigênio, levado pelo
sangue arterial. O gás carbônico produzido na combustão seria levado pelo sangue venoso para
os pulmões. Supôs então que o sangue venoso mais claro do homem tropical se deveria a um
menor consumo de oxigênio, pois em clima quente o corpo precisaria produzir menos calor e,
portanto, faria menor combustão de oxigênio. Mas seu pensamento a respeito do calor corporal
não parou aí: havia uma outra forma de produzir calor no corpo que é através de movimentos e
seus atritos internos – o alimento é transformado em calor pela combustão, que é transformado,
parte em calor corporal e parte em movimento. Assim, Mayer concluiu que calor e energia têm a
mesma natureza e desenvolve a idéia da conservação da energia sob diversas formas: a
gravitacional, a de movimento, a química, a elétrica, a térmica.
Contemporâneo de Mayer, Joule, na Inglaterra, começou a realizar pesquisa experimental
minuciosa para estabelecer a equivalência entre quantidades de calor e de energia. Em seu
primeiro trabalho analisa a geração de calor nos fios condutores quando se passa uma corrente
elétrica pelos mesmos. Mas sua experiência mais famosa é a da agitação de água e óleo de
cachalote, mercúrio e ferro fundido por intermédio de pás através de um dispositivo no qual o eixo
com as pás agitadoras eram acionadas por um peso suspenso em uma corda que passava por
uma polia. Na conclusão dessa experiência, ele define o equivalente mecânico do calor como “a
quantidade de calor capaz de aumentar a temperatura de uma libra de água de 1°F é equivalente
à força mecânica representada pela queda de 772 libras pelo espaço de um pé”. Estava assim
determinada a relação entre a unidade utilizada para medir calor (1 caloria = quantidade de calor
necessária para aquecer um grama de água de um grau) e a unidade para medir energia (massa x
gravidade x diferença de altura), hoje chamada Joule.
Atualmente, o princípio da conservação da energia é também conhecido como a 1ª Lei da
Termodinâmica, e tem o seguinte enunciado: “A energia do universo se
conserva”. A forma matemática dU = dQ – dW, muitas vezes apresentada em
livros didáticos como a Primeira Lei, é, na verdade, uma aplicação muito particular
desta lei ao caso dos gases. Ao “calor contido no gás” chamamos hoje de energia
interna U, cuja variação é dada pela diferença entre o calor recebido (dQ) e o
trabalho realizado pelo gás (dW). Nesta expressão matemática, tanto a energia
mecânica, representada através do trabalho, como o calor, apresenta-se com a
mesma natureza, e por isso podem ser somados (ou subtraídos).
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