O Que é Física

O Que é Física

(Parte 1 de 4)

O QUE É FÍSICA Ernest W. Hamburger

Editora Brasiliense - 1992

Coleção Primeiros Passos Nº 131 ISBN 85-1-0131-5

Nunca a ciência foi tão importante, nunca os cientistas foram tão prestigiados, como a Física e os físicos após a 2a. Guerra Mundial. Tinham sido os principais responsáveis pelo desenvolvimento do radar inglês e americano, dos foguetes V-2 alemães e, finalmente, das bombas atômicas americanas jogadas no Japão. As verbas dos governos para pesquisas em Física Nuclear foram dadas generosamente em todos os países, a Física passou a ser assunto de segurança nacional e muitos físicos tornaram-se gerentes de grandes projetos de construção de aceleradores, de reatores ou de novas armas.

O povo que olhava maravilhado foi ficando assustado. O cientista distraído, filósofo, ingênuo, meio trapalhão, cabelos desarrumados, foi sendo substituído pelo jovem executivo, cabelo escovado, eficiente e preciso. Além de ajudar a fazer armas de guerra, os físicos passaram a ser importantes também na grande indústria: as companhias multinacionais fundaram grandes laboratórios de pesquisas eletrônicas, óticas, radiativas, para aperfeiçoar a fabricação de aparelhos elétricos, computadores, telefones e aumentar os lucros.

quádruploTodos tinham emprego e ganhavam bem.

Época de vacas gordas para os físicos como nunca houvera antes: laboratórios governamentais e particulares, universidades e institutos de pesquisas disputavam o contrato dos físicos mais cotados. O número de estudantes aumentou paras o dobro, triplo,

Mas o milagre acabou. A economia parou de crescer. Nos EUA, o presidente (Nixon) achou que não eram necessárias tantas verbas de pesquisa, nas grandes companhias que mantêm laboratórios também; não havia mais empregos para os formados. O número de estudantes diminuiu repentinamente, laboratórios foram fechados, aparelhos desmontados. A Física voltou a ser uma atividade mais acadêmica, menos industrial, gerencial ou técnica. Essas mudanças, iniciadas nos Estados Unidos, logo ocorreram também na Europa Ocidental.

Assim foi a trajetória dos físicos no pós-guerra: primeiro, supervalorizados e mimados, depois, relegados a um segundo plano pelos detentores do poder. Ainda há físicos que são íntimos dos poderosos, ligados à guerra, ao comércio e à indústria, mas a maioria exerce apenas atividades de estudo, ensino e pesquisa.

Os físicos pesquisam muitas coisas que têm aplicação na indústria, na guerra, na medicina, na engenharia, desde as reações nucleares em cadeia que ocorrem nos reatores nucleares e nas bombas, até o funcionamento de lasers e fibras óticas usadas em telecomunicações, passando por dispositivos semicondutores e circuitos integrados para a eletrônica, etc. Esse engajamento da física na produção é, entretanto, recente. Originariamente, a Física interessava principalmente aos filósofos naturais. Para entender o que è a Física hoje, precisamos lembrar como ela se iniciou.

Onde e como nasceu a Física? Seu início moderno é geralmente situado na revolução copernicana, isto é, no estabelecimento de novas idéias sobre o movimento dos astros, inclusive da Terra, que se deu a partir de Copérnico, de Kepler e de Galileu, no século XVII.

Tudo começou com o movimento das estrelas, que os homens observaram durante milhares e milhares de noites. Se olharmos o céu, vemos cada estrela, durante a noite, descrever um arco de circunferência tendo como centro o eixo da Terra. Todas as estrelas se movem juntas, como se estivessem incrustadas por dentro de uma grande esfera. Esta esfera celeste é que gira como um todo em volta de nós, fazendo uma volta completa em 24 horas. Na verdade, não são todas as estrelas que são fixas umas em relação às outras, como se tivessem incrustadas na abóbada celeste. O Sol e a Lua se movem em relação à abóbada, bem como alguns astros que chamamos planetas. Cinco planetas – Júpiter, Saturno, Marte, Vênus e Mercúrio – aparecem como se fossem estrelas brilhantes, e seus deslocamentos relativamente às estrelas fixas foram observados em detalhe durante séculos. Eles percorrem no céu trajetórias parecidas com as da Lua e do Sol, mas em um movimento mais complicado; a cada poucos meses sua velocidade diminui, param, voltam um pouco para trás, param novamente e depois retomam o caminho de leste para oeste.

A cada noite vemos a abóbada celeste girar em torno de nós, e no dia seguinte o Sol se move através do céu. Copérnico sustentou que não eram o Sol e as estrelas que se moviam, mas sim a Terra: a Terra gira sobre si mesma a cada 24 horas, em torno de seu eixo, e, além disso, dá uma grande volta em torno do Sol a cada 365 dias. A antiga teoria geocêntrica, que colocava a terra no centro do Universo, deveria ser substituída por uma teoria heliocêntrica, em que o Sol ocupava o centro. Levou um século para que a maioria dos filósofos naturais da época (hoje diríamos cientistas) se convencesse de que a teoria de Copérnico, apesar de manifestamente contrária à nossa intuição (é óbvio que as montanhas, as pedras, as casas estão paradas e que o Sol se move através do céu), é que estava certa. Hoje também o Sol foi desbancado do centro do Universo e foi relegado à condição de uma entre milhões de estrelas em uma galáxia de estrelas que, por sua vez, é uma entre milhares de galáxias visíveis no céu.

Acreditava-se que a posição das estrelas e dos planetas influi e determina o destino das pessoas. Era importante saber calcular as posições dos astros no futuro e também no passado, para se saber onde estavam quando certa pessoa nasceu e daí predizer o seu futuro. Até hoje muitas pessoas acreditam na Astrologia, que forneceu motivação inicial para a astronomia e para a própria Física. Para prever as posições futuras (e passadas) dos astros era necessário achar métodos matemáticos que descrevessem esse movimento.

Ptolomeu, o último grande astrônomo da astrônomo da Antiguidade, que viveu por volta do ano 140, propôs uma construção geométrica para determinar o movimento dos planetas: cada planeta P descreve uma circunferência em torno de um ponto C que, por sua vez, percorre outra circunferência em torno da Terra, que é fixa. P gira em volta de C que gira em volta de T. A trajetória de P chama-se epiciclóide. Quando vista da Terra, a trajetória aparece como uma linha reta percorrida de 1 para 2, para 3, para 4.

Os astrônomos gregos já conheciam, por volta do início da era cristã, métodos precisos para calcular as posições dos astros, utilizando construções geométricas baseadas sempre na composição de movimentos circulares centrados, em última análise, na Terra. A figura anterior mostra simplificadamente o método do grande astrônomo Ptolomeu, que viveu em Alexandria, no Egito.

Depois de Ptolomeu, o próximo grande passo para a compreensão dos céus demorou mil e quinhentos anos e foi dado por Kepler, que percebeu que a órbita de Marte não concordava exatamente com as previsões do método de Ptolomeu. Obteve acordo melhor, adotando a hipótese heliocêntrica de Copérnico e, além disso, postulando órbitas elípticas, e não circulares, em torno do Sol. Kepler hesitou muito em publicar sua descoberta (a obra saiu depois de sua morte), pois temia ser considerado herege pela Igreja, que, nesta época, adotara o geocentrismo como artigo de fé.

Galileu, contemporâneo de Kepler, foi punido justamente por defender publicamente o ponto de vista de Copérnico; foi forçado a abjurar essas idéias e terminou a vida, em 1642, confinado à sua casa. A contribuição de Galileu à Física foi ainda maior do que as de Kepler e de Copérnico. Enquanto estes dedicaram todos os seus esforços ao estudo dos movimentos dos astros no céu, Galileu utilizou os mesmos modos de raciocínio e de comparação, somados à matemática, para estudar também os movimentos dos corpos na terra e as suas propriedades. Aparecia pela primeira vez com clareza um método científico como é utilizado ainda hoje. Assim nascia a Física.

Entre os assuntos estudados por Galileu, vamos falar um pouco sobre a queda dos corpos. Quando deixo uma pedra cair, ou quando uma bala é disparada de um canhão, como se dá o movimento? Galileu realizou experimentos para descobrir a resposta. As pedras caem depressa demais para serem observadas em detalhe. Então ele teve a idéia de observar o movimento de uma bola que rola ao longo de uma rampa: para rampas pouco inclinadas, quase horizontais, o movimento é lento e pode ser medido, mesmo com os instrumentos toscos de que Galileu dispunha. Para medir o tempo decorrido, por exemplo, media a quantidade de água escorrida de uma bica com vazão constante: não existiam ainda relógios (em suas primeiras investigações, Galileu usou como “relógio” o seu próprio pulso, o que é ainda menos preciso do que o escoamento da água). Galileu descobriu um fato importante, ao examinar as bolas rolando pelas rampas: a velocidade da bola aumenta, à medida que ela desce, em ritmo constante. Durante o tempo que a água leva para encher um copo, o aumento de velocidade é sempre o mesmo, seja quando a bola está no início do movimento, seja no fim, quando sua velocidade já é grande. Ele criou então um conceito novo: além da velocidade e da posição de um corpo em movimento, devemos observar também o ritmo de variação da velocidade, que hoje chamamos de aceleração. A aceleração de um corpo é quando a velocidade do corpo varia (aumenta ou diminui) durante uma unidade de tempo (por exemplo, um segundo). Uma bola em uma rampa pouco inclinada tem aceleração pequena, isto é, sua velocidade aumenta devagar. Quanto mais inclinada a rampa, tanto maior a aceleração, Istoé, tanto mais rapidamente aumenta a velocidade. Mas para cada rampa existe um só valor de aceleração, que se mantém constante desde o início, no alto, até a bola atingir o ponto mais baixo, e que é o mesmo para todas as bolas, de diferentes pesos e tamanhos.

Galileu imaginou que este fato – a constância da aceleração – valesse também para rampas muitos inclinadas, quase verticais, em que o movimento era rápido demais para se poder medi-lo, e até mesmo no caso limite, vertical, em que a bola cai livremente. Uma bola que cai livremente tem, portanto, uma aceleração constante durante a queda, e esta aceleração é a mesma para todas as bolas, independente do seu tamanho e de seu peso. Mas uma bola não cai diferentemente de uma pedra, de um pedaço de madeira, ou de um outro corpo qualquer. Assim, qualquer corpo cai sempre, segundo Galileu, com a mesma aceleração.

Conseqüência disto é que, se soltarmos dois corpos diferentes (um pesado, outro mais leve), simultaneamente de uma mesma altura, eles atingem juntos o chão.

Galileu diz que soltou simultaneamente uma bala de canhão e uma bala de mosquete do alto de uma torre, e que as duas chegaram juntas ao chão – mas há dúvidas se realmente ele realizou este experimento. Em todo caso, hoje sabemos que chegam mesmo. Na época era aceita a doutrina do filósofo grego Aristóteles, que afirmava que os corpos pesados caem mais depressa que os leves, proporcionalmente ao seu peso. Além de argumentos experimentais, Galileu refutou a tese de Aristóteles também com raciocínios teóricos, mostrando que levava a previsões contraditórias. É interessante reproduzir o pensamento de Galileu, pois foi o primeiro exemplo do que os alemães chamam de Gedankenexperiment, o que quer dizer experimento no pensamento, isto é, imagina-se o que ocorreria em certa situação e analisa-se o resultado. Trezentos anos mais tarde, Albert Einstein utilizou muitas vezes este expediente, em seus estudos da Teoria da Relatividade.

Imagine duas pedras, uma grande e uma pequena. Se forem soltas, e se Aristóteles estivesse certo, a grande cairia mais depressa do que a pequena. Agora suponha que a pedra pequena é amarrada em cima da grande, de modo que ambas formem um corpo só. Este corpo será mais pesado do que a pedra pesada e, portanto, cairá mais depressa do que um das pedras separadamente. Parece que a pedra pequena, amarrada sobre a grande, pressiona esta para baixo, fazendo-a cair mais depressa. Entretanto, a pedra menor, se estivesse sozinha, cairia mais devagar do que a grande, e, portanto, não deve pressioná-la, mas, antes, retardá-la. Reciprocamente, a pedra grande sozinha cairia mais depressa do que a pequena, e deve, portanto, puxar esta por meio do amarrio. Por estes raciocínios, o corpo formado pelas duas pedras deveria cair com velocidade intermediária entre a da pedra grande e a da pequena. A afirmação de Aristóteles leva, portanto, a duas previsões contraditórias entre si e não pode ser verdadeira.

Galileu é considerado o fundador da Física moderna, pois utilizou pela primeira vez a combinação de raciocínio teórico e observação experimental que caracteriza a Física até hoje, mas não chegou a formular uma teoria completa do movimento. Isso foi feito pelas gerações seguintes de filósofos naturais e astrônomos e culminou com o trabalho de Isaac Newton. Newton percebeu que podia explicar as órbitas elípticas dos planetas se imaginasse que há uma força, a gravitação, que atrai cada planeta para o Sol, com intensidade inversamente proporcional ao quadrado da distância entre dois corpos. Além disso, Newton admitiu que um corpo que não está sujeito a nenhuma força não tem aceleração, isto é, mantém a mesma velocidade (em valor e em direção) como tinha no início do movimento: a velocidade de um corpo só pode mudar se ele sofrer ação de uma força, devido a outro corpo.

Quando existe uma força aplicada a um corpo, ela provoca mudanças de velocidade tanto maiores quanto mais intensa for, e quanto mais leve for o corpo.

A Lei da Gravitação, de Newton, pode ser representada matematicamente pela equação:

que significa que a força F que o Sol exerce sobre um planeta P aumenta proporcionalmente à massa Ms do Sol e diminui proporcionalmente ao quadrado da distância d entre o Sol e o planeta.A letra G representa um valor numérico constante pelo qual devemos multiplicar a fração 2d MMSP para obter o valor de F. Na equação acima, falta dizer qual é a direção da força: é uma força que puxa o planeta para o Sol; na figura, a seta indicada por Fr representa a força.

Outra lei de Newton diz que aceleração uma força produz, e pode ser resumida pela equação amFsr.=, o que significa que para produzir uma aceleração em um corpo de massa m é necessário aplicar uma força Fr que é igual ao produto de m por a. As setas nos símbolos F e a significam que força e aceleração têm, cada uma, direção bem definida, e a equação diz que ambas têm a mesma direção. Por exemplo, se certa força produz em um corpo de 1 kg uma aceleração de 2 metros por segundo, então a mesma força aplicada a um outro corpo maior, de 2 kg, produzirá uma aceleração menor, de um metro por segundo. Por outro lado, se quisermos obter uma aceleração maior, por exemplo, de 4 metros por segundo, a cada segundo, precisaremos aplicar a cada corpo uma força proporcionalmente maior: dupla para o primeiro corpo de 1 kg e quádrupla para o de 2 kg.

As leis de Newton não dizem nada sobre a trajetória dos planetas, mas a partir delas pode-se deduzir matematicamente que os planetas devem ter órbitas elípticas em torno do Sol; pode-se deduzir também, matematicamente, qual a sua velocidade ao longo do trajeto, obtendo-se assim, pelo cálculo, resultados que são iguais às observações astronômicas.

O sucesso de Newton ao explicar o movimento dos planetas, em detalhe, como sendo conseqüência da força de atração gravitacional, teve uma influência enorme nos séculos seguintes. Os filósofos e cientistas passaram a acreditar que seria possível explicar cientificamente, a partir da Física e da Matemática, tudo o que há no mundo. Realmente, os conhecimentos científicos aumentaram vertiginosamente, principalmente durante os últimos cem anos.

O estudo do movimento dos corpos, ou Mecânica, desenvolveu-se muito a partir de Newton. Cálculos matemáticos cada vez mais complicados foram inventados para permitir explicar e prever em todos os seus detalhes os movimentos dos planetas e de seus satélites, e dos cometas. Nasceu assim uma parte importante da Física, a Física matemática, em que os diversos métodos de cálculo são aplicados aos fenômenos naturais para compreendê-los e às vezes até para poder controlá-los. Os métodos conhecidos são utilizados, e também são desenvolvidas idéias novas na própria matemática. Por exemplo, o conceito de derivada de uma função apareceu a partir da velocidade: podemos dizer que a derivada é sempre a velocidade de variação da função em relação a uma variável. A Matemática foi assim fecundada por muitas idéias novas provindas da Física, como também houve o processo inverso.

Os astros no céu aparecem como pontos, como se não tivessem tamanho. Os corpos que se movem aqui na terra – pessoas, pássaros, peças de máquinas, carros, aviões. E assim por diante – têm, cada um, seu tamanho.

Cada ponto de um mergulhador que salta em uma piscina tem uma trajetória diferente: a ponta do nariz, o umbigo, o calcanhar, cada um tem o seu movimento. É muito mais difícil explicar o movimento de um mergulhador do que o de uma pequena pedra, e por isso o cálculo matemático necessário também é mais complicado. Durante os últimos séculos, a partir de Newton, os físicos-matemáticos estudaram movimentos cada vez mais complexos, seja de corpos celestes, seja de objetos terrestres, e inventaram modos de calculá-los e de prevê-los.

Desde o século XII até o século XVI, as florestas inglesas foram sendo cortadas para fazer lenha para aquecer as casa no inverno, e também para as indústrias que começaram a ser instaladas. Assim, no século XVII não havia mais lenha suficiente, e os habitantes recorreram ao carvão de pedra. As minas de carvão eram inicialmente superficiais, mas logo acabaram essas jazidas e foi necessário abrir buracos e galerias cada vez mais profundas. Essas minas freqüentemente ficavam inundadas de água e era necessário bombear a água para obter carvão. Também as minas de estanho tinham o mesmo problema. A máquina a vapor foi inventada para esse fim específico: bombear água para esvaziar as minas. Por isso podemos dizer que a invenção da máquina a vapor teve como uma das suas causas o desmatamento.

O que é calor? Quanto calor é necessário fornecer a um corpo para aumentar sua temperatura? Como se pode realizar trabalho, produzir energia, a partir do calor? Estas são perguntas respondidas pela termodinâmica, que é uma parte da Física que se desenvolveu justamente da tentativa de compreender e de aperfeiçoar a máquina a vapor. Já da Grécia antiga há relatos de provocar o movimento por meio do calor, por exemplo, as portas de um templo que se abriam “sozinhas” quando era aceso um fogo no altar (o ar dentro do altar era aquecido e se expandia, assim causava o movimento das portas), mas não havia máquinas que funcionavam continuamente à base de calor. Havia moinhos e indústrias incipientes que eram movidas por rodas d’água, mas isto só era possível em locais onde havia quedas d’água.

A primeira máquina a vapor foi construída em 1698, mas era pouco eficiente e só se tornou de importância econômica e social depois de aperfeiçoada durante cerca de setenta anos. Foi nesse período também que as idéias fundamentais do estudo do calor se tornaram mais claras. Inicialmente não se distinguia claramente entre temperatura e quantidade de calor. Depois ficou evidente que eram necessárias estas duas grandezas para se descreverem coerentemente os fenômenos observados: para aumentar a temperatura de um corpo fornece-se calor, como, por exemplo, uma panela com água no fogo. Quanto mais calor a panela receber do fogo, mais alta será sua temperatura. Mas para atingir uma certa temperatura - por exemplo, para fazer a água ferver -, a quantidade de calor necessária vai ser diferente, dependendo da quantidade de água: para fazer ferver dois litros, o tempo (a quantidade de calor) será aproximadamente o dobro do que para um litro. Isso mostra que quantidade de calor e temperatura são coisas distintas. Além do mais, se em vez de água houver óleo ou outra substância na panela, o calor que precisa ser fornecido para atingir a mesma temperatura é novamente diferente: as diferentes substâncias, mesmo em volumes (ou pesos) iguais, precisam de diferentes quantidades de calor para atingir a mesma temperatura final.

O que é então o calor? Acreditava-se, no século XVIII, que era uma substância invisível que podia penetrar em qualquer corpo, chamada calórico. O calórico era atraído pelos átomos das substâncias, mas era auto-repelente. Formava-se uma nuvem de calórico em torno de cada átomo e estas nuvens se repeliam entre si, evitando assim que os átomos se aproximassem demais. A temperatura dependia da densidade de calórico na superfície do corpo. Para aumentar a temperatura, fornecia-se calórico ao corpo. Isto aumentava não só o calórico na superfície, mas também a repulsão entre os átomos, fazendo com que o corpo aumentasse de volume. Explicava-se assim o fato de os corpos se dilatarem quando a temperatura aumenta.

A teoria do calórico explicava quase todos os fenômenos térmicos e foi aceita durante todo o século XVIII. Ainda hoje grande parte da população concebe o calor como se fosse um fluido, e, mesmo entre os cientistas, muitas palavras e muitas idéias vêm dessa teoria. No entanto, ela foi abandonada em meados do século XIX, porque ficou claro que o calor é uma forma de energia que passa de um corpo a outro em que é devida às energias de movimento de todos os átomos do corpo. Se o corpo é sólido, o movimento de seus átomos é de vibração em torno de uma posição de equilíbrio: quanto maior a temperatura, mais intensa é essa vibração. Se for um gás ou um líquido, seus átomos (ou moléculas) se deslocam com velocidades tanto maiores quanto maior for a temperatura.

Há muitas transformações possíveis de outras energias em calor e vice-versa. Por exemplo, quando dois corpos sólidos são esfregados um sobre o outro, produz-se calor: era assim que os índios faziam calor. Uma observação famosa deste tipo foi feita pelo conde Rumford, um aventureiro e cientista americano, na Bavária, em fins do século XVIII. Ele estava fabricando canhões para o potentado local, e para isto um tarugo de bronze precisava ser furado por uma broca de aço, para se fazer o cano do canhão. Ele observou que o atrito da broca com o canhão produzia calor continuamente, mesmo quando a broca já tina perdido o seu corte. Parecia haver um reservatório infinitamente grande de calórico que fornecia o fluido à broca e ao canhão enquanto os dois estivessem se movimentando com atrito.

Aliás, quem já utilizou uma furadeira elétrica, sabe que sempre a broca esquenta e precisa ser resfriada com água para não se destemperar a altas temperaturas. Quando a broca está cega (sem corte), ela esquenta muito mais. A energia que é gasta no motor que faz a broca girar (Rumford usava uma parelha de cavalos em vez de motor) aparece como calor que aquece a broca e a peça que está sendo furada.

Quando um ferro de passar roupa é ligado, a corrente elétrica que passa dentro faz ele ficar quente: é energia elétrica sendo transformada diretamente em calor. Reações químicas também liberam calor: quando comemos alimentos, a digestão (que consiste numa série de reações químicas) produz calor que, entre outras coisas, mantém nossa temperatura próxima de 37oC. Se não houvesse fornecimento contínuo de calor ao nosso corpo, ele logo se resfriaria até ficar à mesma temperatura do ambiente, por exemplo, 20oC: é o que acontece na morte. Um cadáver adquire a mesma temperatura dos objetos em volta dele, como se fosse uma pedra ou um pedaço de madeira. Os corpos vivos só mantêm uma temperatura mais alta do que o ambiente graças à energia que recebem pela alimentação.

O calor pode dar lugar a outras formas de energia: a máquina a vapor produz trabalho ou energia mecânica a partir do calor. Um termopar é um dispositivo que produz energia elétrica quando é aquecido; é utilizado para controlar a temperatura e mantê-la constante. Por exemplo, pode-se fazer com que seja ligado a um aquecedor sempre que a temperatura de um local aquecido caia abaixo de um valor preestabelecido.

O calor é uma forma de energia. Assim como existe energia mecânica, elétrica, química, nuclear, existe também energia térmica ou calor. Entretanto, desde o início da termodinâmica ficou claro que é uma forma especial de energia, diferente das outras. É possível transformar energia mecânica totalmente em energia térmica (calor); também é possível transformar energia elétrica totalmente em calor. Mas não é possível transformar totalmente calor em energia mecânica ou em energia elétrica. Para se produzir trabalho ou eletricidade a partir do calor, é necessário sempre ter um excesso de calor e jogar grande parte dele fora. Isso foi percebido, já em 1824, por um jovem cientista francês, Sadi Carnot, que procurava um jeito de fazer a máquina vapor mais eficiente: gastar menos carvão ou lenha e realizar mais trabalho.

Na caldeira, o fogo aquece a água transformando-a em vapor a alta temperatura e, conseqüentemente, a alta pressão. Esse vapor se expande no cilindro, forçando o pistão a recuar – é nesse movimento que há realização de trabalho. A expansão esfria um pouco o vapor, mas ele continua quente; para continuar o processo e fazer o ciclo, fazendo a água voltar à caldeira, é necessário esfriar o vapor ainda mais e liquefazê-lo, o que ocorre no condensador. O que Carnot percebeu é que o condensador é indispensável em um processo cíclico, e que ele representa uma ineficiência intrínseca, irremovível, do processo, pois nele parte do calor que a caldeira forneceu, e que não foi transformada em trabalho no pistão, é transferida para fora da máquina – por exemplo, para a água do rio que resfria o condensador. Não é possível construir uma máquina, seja a vapor ou de outro tipo, que transforme totalmente em trabalho (energia mecânica) uma certa quantidade de calor fornecida por uma chama ou por outra forma: parte do calor sempre sobra e precisa ser retirada. Esta impossibilidade é uma lei da natureza, que se chama “Segundo Princípio da Termodinâmica” (o primeiro princípio da termodinâmica afirma que o calor é uma forma de energia).

Os movimentos estudados na Mecânica são todos reversíveis, isto é, podem decorrer de trás para frente: a Terra poderia girar de leste para oeste em vez de como ela efetivamente gira; uma bola que rola rampa abaixo, acelerada, poderia rolar para cima, desacelerada, se assim fosse lançada. Quando vemos um filme de cinema projetado de trás para frente, muitas vezes demoramos a percebê-lo se só aparecerem movimentos puramente mecânicos, reversíveis. Só quando aparece um processo irreversível, onde há produção de calor, a coisa fica óbvia: um homem que salta do alto e cai numa piscina não pode voltar para cima, pois quando cai na água, sua energia mecânica (de movimento) desaparece para dar lugar a pequenos movimentos desordenados da água, e a calor, e este processo é irreversível.

Os processos em que intervém o calor são irreversíveis. Uma xícara de café quente colocada sobre a mesa perde calor até que a sua temperatura se iguale à do ar circundante. Nunca ocorre o inverso: uma xícara de café frio sobre a mesa não se aquece espontaneamente, retirando calor do ar em volta. A impossibilidade deste processo também leva ao Segundo Princípio.

A energia térmica, que estamos chamando de calor, consiste na soma das energias de movimento desordenado de bilhões de átomos. Já a energia de movimento da Terra quando gira ou de uma bola que rola é soma de energias de movimento ordenado de muitos e muitos átomos. Nos dois casos são os movimentos dos átomos que detêm a energia, mas num caso todos se movem em conjunto, coordenados, quando o corpo todo se move, e noutro caso cada átomo se move em uma direção diferente, com velocidade diferente e mudando rapidamente. O quente de uma xícara de café consiste no movimento desordenado, mas rápido, de todos os seus átomos, uns vibrando sem sair do lugar, outros indo para cima, outros para baixo, para o lado, e assim por diante. Quando o café esfria, estes movimentos continuam, mais devagar, entretanto, com menos energia. A figura mostra como seria o caminho de uma partícula em um movimento desordenado desses. É interessante notar que esse movimento foi descoberto por um botânico chamado Brown, quando observava grãos de pólen de flores, com um microscópio. Depois se percebeu que tais movimentos ocorrem para quaisquer partículas no ar ou em líquido. Nos sólidos, os movimentos das partículas, devido à energia térmica, são diferentes da figura, pois são deslocamentos em torno de uma posição fixa, como uma corda de violão que vibra para um lado e para outro de sua posição de equilíbrio.

A irreversibilidade que é característica dos fenômenos térmicos não existe na Mecânica ou na Eletricidade, e é o aspecto mais interessante da termodinâmica. Um elétron que é acelerado em campos elétricos e gravitacionais pode sempre percorrer a mesma trajetória em sentido inverso. Em contrapartida, o calor (energia térmica) nunca flui espontaneamente de um corpo de temperatura baixa para outro de temperatura alta: sempre flui do corpo quente para o frio. A xícara de café quente sempre esfria até ficar à mesma temperatura do ar em volta. Nunca se observa uma xícara de café frio esquentar sozinha às custas de calor retirado do ar. É necessário colocar a xícara sobre outro corpo mais quente do que ela para esquentá-la.

A irreversibilidade está na raiz do segundo princípio da termodinâmica e distingue o calor de outras formas de energia. Significa que para os fenômenos térmicos existem um passado e um futuro que não podem ser trocados entre si – ao contrário dos fenômenos mecânicos ou elétricos, em que essa troca pode ser feita, pois os processos são reversíveis: as leis de Newton e de Maxwell (da eletricidade) sempre que admitem um movimento, admitem também o inverso.

Sabemos pela nossa vida que o tempo não volta para trás.

Entretanto, na Física não havia, antes desse princípio, nenhuma lei que distinguisse passado e futuro:

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