Bicentenário das Reflexões de Carnot
Há dois séculos, o jovem engenheiro militar francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832) vendia, às margens do rio Sena, em Paris, um livreto de 118 páginas por três francos que revolucionou a ciência. Intitulado “Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu et sur les Machines Propres à Développer cette Puissance” (algo como “Reflexões sobre o Poder Motriz do Fogo e sobre Máquinas que servem para Desenvolver esse Poder”), sendo o fogo considerado uma fonte de calor.
A tiragem do livro foi de 600 cópias, e na época não teve grande impacto. Era filho de Lazare Nicolas Marguerite Carnot (1753 - 1823), engenheiro, matemático, militar e político francês, e de Marie Jacqueline Sophie Josephe Dupont (1764 - 1813), francesa nascida em Maninghem e batizada em Saint-Omer. Seu sobrenome é uma homenagem ao poeta persa Abu Maomé Muxarrifadim Musle ibne Abedalá ibne Muxarrife de Xirazi (1210 - c. 1291), também conhecido pela alcunha de Saadi de Xiraz, de quem seu pai foi um grande admirador.
Carnot havia sido estudante da École Polytechnique uma década antes (em 1813) da publicação de seu relevante livro. Ainda jovem, interessou-se pelo desenvolvimento de máquinas a vapor eficientes ao perceber a necessidade da França avançar em estudos e projetos de engenharia para alavancar máquinas térmicas, à época uma tecnologia inglesa que já mostrava excelentes resultados, reflexo da Primeira Revolução Industrial, em boa medida impulsionada pelo desenvolvimento da ainda incipiente termodinâmica.
A termodinâmica nasceu com a descoberta do fogo para aquecer e iluminar. Desde o princípio, a humanidade utilizou-se deste achado para cozinhar alimentos e proteger-se de predadores, transformando a vida e modificando hábitos primitivos. Está, portanto, na base da civilização. Em termos simples, a termodinâmica trata do estudo do calor (em grego, therme), dos aspectos da matéria e suas transformações energéticas, enquanto a palavra grega dynamis significa poder ou potência.
Um exemplo de transformação termodinâmica (que recebe o nome de adiabática) pode ser percebida em um frasco com desodorante aerossol. Ao apertar o frasco para liberar desodorante durante um intervalo de poucos segundos, ocorre a expansão rápida do gás que estava no interior do frasco. Com o aumento rápido do volume e diminuição da pressão, a temperatura diminui, e as vezes é possível perceber que o frasco transmite a sensação de frio nas mãos que o tocam. Levou-se algum tempo para se compreender os princípios termodinâmicos pois a época de Carnot ainda não se concebia claramente a natureza atômica da matéria, muito menos as interações da matéria com fontes de calor, como por exemplo o vapor de água aquecida, item este importante no desenvolvimento de tais máquinas.
De fato, um primeiro modelo atômico foi desenvolvido pelo químico e meteorologista inglês John Dalton (1766 - 1844) em 1808. Ele concebia os átomos (do grego sem partes) como esferas duras e indivisíveis, sendo que cada elemento químico era idêntico, e diferentes elementos apresentariam massas e propriedades químicas diversas, que combinariam entre si envolvendo números inteiros simples de modo a formar compostos. Por fim, tais átomos não poderiam ser criados ou destruídos. Se seus compostos fossem desmembrados, seus átomos constituintes se manteriam imutáveis.
Um exemplo de fenômeno termodinâmico pode ser notado ao se provar uma pizza quente. Esta pode ser uma experiência prazerosa e ao mesmo tempo magoar o palato. Ao se comer a massa em geral não surgem problemas, mas ao se provar uma grande quantidade de queijo derretido, talvez. Vale lembrar que ambas, a massa da pizza e o queijo, estão sob mesma temperatura quando saboreadas. O que ocorre é que o queijo apresenta uma propriedade latente vinculada ao calor, condição esta diferente da massa de pão devido a constituição diversa de suas composições físico-químicas.
Embora alguns princípios termodinâmicos fossem conhecidos por diversos especialistas antes de Carnot, a compreensão da natureza do calor era uma incógnita. As primeiras máquinas térmicas, como a panela de pressão metálica do médico, matemático e inventor francês Denis Papin (1647 - 1713), foram elaboradas sem a necessidade de se considerar a existência de átomos, moléculas e mesmo os princípios termodinâmicos que envolvem calor e trabalho. A panela de Papin serviu para amolecer carnes e ossos em água e vapor aquecidos sob pressão, sendo possível a época elaborar o primeiro mocotó da história.
Particularmente, vale lembrar que muito antes de Carnot, ainda em 1761 o físico-químico e inventor escocês Joseph Black (1728 - 1799), descobriu que o gelo absorve calor sem mudar de temperatura enquanto derrete, ao estudar a fermentação do álcool para produção de scotch. Concluiu deste fato que o calor deve ter-se combinado com as partículas que formam o gelo e se tornado latente (no sentido de escondido, oculto, disfarçado). Nem todos conseguem perceber à primeira vista, mas a ciência é uma construção coletiva e, embora lógica, nem sempre foi desenvolvida como se dá a entender em livros técnicos, que buscam revelar os princípios e suas regras visando aplicações de modo rápido. A história da termodinâmica é cheia de idas e vindas em termos de (re)interpretações por diversos(as) pesquisadores(as).
Após Papin, o inventor e militar inglês Thomas Savery (c. 1650 - 1715) propôs uma máquina térmica sem uso de pistão (patente inglesa GB 356, de 1698). Já o ferreiro e inventor inglês Thomas Newcomen (c. 1664 - 1729) criou a primeira máquina térmica eficiente comercialmente em 1712, com uso de pistão e cilindro, dando os primeiros passos para a Revolução Industrial na Inglaterra. Era possível extrair água de profundidades até 45 m em minas de carvão por meio de tal dispositivo. Estima-se que ao menos duas mil máquinas foram criadas nas três décadas seguintes. De fato, há registros de uma das primeiras máquinas de Newcomen chamada Fairbottom Bobs, que bombeava água de uma mina em Ashton-under-Lyne por volta de 1760. Com ciclos de 14 vezes por minuto e 11 cavalos-vapor, se encontra preservada num museu em Dartmouth, Devon, Inglaterra. Há uma réplica no Museo Henry Ford em Dearborn, Michigan.
Melhorias atribuídas ao inventor escocês James Watt (1736 - 1819) impulsionaram o uso de máquinas térmicas eficientes, que eram comparadas ao trabalho equivalente feito por animais como cavalos ou bois. A primeira locomotiva era movida a vapor e foi construída pelo inventor inglês Richard Trevithick (1771 - 1833) em 1804. Sob trilhos, deslocava 10 vagões de minério das minas de ferro de Pen-Y-Darren no País de Gales à velocidade de 8 km/hora.
A Primeira Lei da Termodinâmica trata do princípio da conservação da energia aplicado em máquinas térmicas. Já de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica, da qual Carnot contribuiu fortemente com suas reflexões publicadas em livro, há uma transferência espontânea de energia entre dois reservatórios térmicos: uma fonte em alta temperatura fornece algo absorvido por um reservatório térmico em temperatura mais baixa. Este é o sentido espontâneo da transferência de tal energia na forma de calor, na qual um trabalho mecânico pode ser efetuado, extraído de tal fluxo.
O princípio das máquinas térmicas estabelece que, ao absorver calor (de fato, a energia transferida), uma máquina térmica exerce trabalho (a energia utilizada), havendo uma parcela rejeitada (por ex., para o ambiente), levando em conta uma dada eficiência estabelecida como a razão ou quociente entre a energia utilizada e a transferida.
Em sua obra, Carnot chegou a prever o futuro de modo bastante claro: “se algum dia as melhorias da máquina de fogo se estenderem o suficiente para torná-la barata em termos de instalação e combustível, reunirá todas as qualidades desejáveis e fará com que as artes industriais assumam um desenvolvimento cuja extensão seria difícil de prever.”
Carnot buscou elaborar máquinas térmicas mais eficientes, embora tambem tenha declarado que “não se deve esperar utilizar na prática de todo o poder motriz do fogo” pois alguma energia sempre será dissipada por meio de atrito, vibração ou outra forma indesejada de movimento, pois a eficiência total é inatingível. De fato, Carnot foi um dos primeiros a se preocupar em como estabelecer a eficiência de máquinas térmicas visando o desenvolvimento industrial, político e econômico do seu país, proposito este oculto em qualquer ciência nacional.
Historicamente, ao que parece, a primeira máquina a vapor no Brasil chegou em 1813 e servia para moer cana. Pertencia ao Engenho Ingá-Açu, da Freguesia de Vera Cruz, na ilha de Itaparica, Bahia, e era propriedade de Antônio Cardoso dos Santos (? - 1786), inaugurada em 1815 com a presença do Governador da Bahia, o político português Dom Marcos de Noronha Britto (1771 - 1828), oitavo Conde dos Arcos. Tal máquina reproduzia o esforço de 16 cavalos, e lamentavelmente foi posta à venda no ano seguinte. O primeiro navio a vapor chamava-se Cachoeira, e singrou a Baía de Todos os Santos em 1819, especialmente o rio Paraguaçu, ligando o recôncavo baiano a capital. Foi adquirido por Felisberto Caldeira Brant Pontes de Oliveira Horta (1772 - 1842), militar, diplomata e político brasileiro, conhecido como Marques de Barbacena e genro de Cardoso dos Santos, após concessão via Decreto Imperial em 3 de agosto de 1818.
Em termos científicos, visando compreender as reflexões de Carnot, o físico e matemático alemão Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822 - 1888), propôs reinterpretá-las do seguinte modo: “o calor nunca pode passar de um corpo mais frio para um mais quente sem que alguma outra mudança, relacionada com isso, ocorra ao mesmo tempo.” A ideia de reversão do processo em termos de tempo levou a necessidade de um conceito-chave extremamente sofisticado em termodinâmica denominado entropia.
Apesar de ser uma palavra criada para determinar um princípio termodinâmico bastante preciso, todo(a) brasileiro(a) consegue conceber o significado da palavra entropia, pois o Brasil é um país tropical por apresentar diversos modos (ou modalidades) de clima num mesmo ano e em diversos lugares.
Em termos bastante simplificados, é mais fácil perceber que há diversas maneiras de se quebrar um ovo, e poucas de mantê-lo inteiro (ou seja, não-quebradiço). Imaginando ser o ovo inteiro uma condição (ou estado) ordenado, há mais modos de se obter ovos quebrados, ou seja, com entropia maior. De certa forma, é o mesmo princípio que determina a razão pela qual um copo quebrado não se refaz ou um perfume evaporado não voltar para dentro do frasco. Há mais maneiras para se destruir do que construir, mostrando que a ordem é algo frágil em termos entrópicos.
Fisicamente, a entropia consiste na falta de conhecimento (ou ignorância) a respeito dos vários modos, ou estados de configuração de um sistema, como os diversos modos de um ovo ou mesmo de um copo quebrados. De certa maneira, a entropia determina a direção do tempo, sempre do passado ao futuro. A tendência natural dos sistemas físicos é de se mover de estados de baixa entropia para os de alta entropia. O que a entropia mensura de fato é a ignorância em termos do desconhecimento ou ainda incerteza de diversas situações, como o modo como átomos e moléculas no estado gasoso se comportam numa máquina térmica acionada pelo calor. Por não ser possível acompanhá-las, efetuam-se médias em termos de temperatura, volume ou pressão.
Além de Clausius, um outro personagem muito relevante para o desenvolvimento da termodinâmica em geral, e da entropia em particular, foi o físico e filósofo austríaco Ludwig Eduard Boltzmann (1844 - 1906), que afirmou certa feita, seguindo a preocupação de Carnot sobre o desenvolvimento de um país: “a energia disponível é o principal objeto em jogo na luta pela existência e evolução do mundo.” Conhecimento gera poder. Boltzmann foi um dos primeiros a perceber que o calor não era um fluido (erroneamente denominado “calórico”), e sim um subproduto de moléculas colidindo entre si, como o vapor de água dentro de uma caldeira. No entanto, era preciso aceitar a ideia de que a matéria era feita de átomos, algo não muito claro a época. Boltzmann foi um defensor da teoria atômica da matéria, e sofreu muito com as críticas infundadas de que o universo não se restringia apenas a matéria e energia. O tempo mostrou que ele estava muito certo em diversos aspectos.
Enquanto justa homenagem, as máquinas térmicas que operam em ciclos de aquecimento e resfriamento que trabalham ao menos com duas temperaturas diferentes são denominadas máquinas de Carnot, e que não podem ser 100% eficientes. Apesar das limitações em prol de maquinários térmicos cada vez mais aperfeiçoados, esforços como o de Carnot moldaram o mundo como ele se apresenta e o papel da humanidade no universo.
Reservado e algo introvertido, era extremamente curioso e teve a figura paterna como influência, especialmente no aprendizado matemático. Infelizmente, Carnot contraiu cólera ainda muito jovem, bem como outros cidadã(o)s parisienses, durante uma segunda pandemia que assolou a Europa, Grã Bretanha, Asia e o ocidente, interrompendo assim uma brilhante carreira. O Brasil, particularmente Salvador, Rio de Janeiro e Belém, sofreu muito com a terceira onda global de cólera, ocorrida entre 1855 e 1856. O corpo de Carnot precisou ser incinerado, assim como muitos dos seus escritos, como modo de se evitar o alastramento da doença. Os poucos textos que sobreviveram continham as brasas do poder motriz do fogo que promoveram a termodinâmica ao patamar de ciência décadas depois.
No seu jazigo, localizado no cemitério d’Ivry, no subúrbio a sudeste de Paris, local escolhido onde também jazem os bravos soldados heróis franceses da primeira guerra mundial, lê-se: “aluno da Escola Politécnica, engenheiro e capitão, físico e fundador da Termodinâmica.” Sua lápide, simples, ainda que compreensível, não compensa seus enormes feitos e reflexões sobre o poder do fogo e o calor, que haverão de perdurar para sempre enquanto verdadeira chama do conhecimento.
* Marcio Luis Ferreira Nascimento é Professor da Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Química e membro associado do Instituto Politécnico da Bahia UFBA
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