A Relação Calor e Energia Mecânica: A Célebre Experiência de Joule

A concepção de calor como forma de energia foi proposta em 1798 pelo engenheiro anglo-americano Benjamin Thompson, mais conhecido como Conde Rumford (1753-1814), quando trabalhava na perfuração de canos de canhão. Observando o aquecimento das peças ao serem perfuradas, Rumford teve a ideia de atribuir este aquecimento ao trabalho que era realizado contra o atrito, na perfuração. Em outras palavras, a energia empregada na realização daquele trabalho era transferida para as peças, provocando uma elevação em suas temperaturas. Portanto, a antiga ideia de que um corpo mais aquecido possui maior quantidade de um fluido invisível de peso desprezível, denominado "calórico", começava a ser substituída pela ideia de que esse corpo possui, realmente maior quantidade de energia em seu interior.

Uma vez aceita esta concepção, tornava-se nacessário determinar a relação entre uma certa quantidade de calor e a quantidade equivalente de outra forma de energia. Ou seja, devia-se procurar obter, experimentalmente, a relação entre a unidade de calor (que é a caloria = Cal) e a unidade mais comumente empregada para medir qualquer tipo de energia (que é o Joule = J). Dentre os trabalhos que mais contribuíram para determinar que o calor é uma forma de energia, deve-se destacar as experiências do ilustre físico britânico James Prescott Joule (1818-1889) (apresentado na foto acima). Realizando medidas muito cuidadosas e as repetindo inúmeras vezes, Joule conseguiu obter, com imenso sucesso, a relação procurada, ou seja, quantos Joules de energia mecânica seriam necessários transformar para obter 1 caloria de energia térmica.

Das diversas experiências realizadas por Joule com esse intuito, uma delas tornou-se muito conhecida e destacou-se entre as demais. A experiência de Joule (cujo esquema é apresentado na foto acima) consistia em deixar cair de uma uma certa altura um peso conhecido preso a uma corda, de tal modo que, durante sua queda, um sistema de pás fosse acionado, entrando em rotação e agitando a água contida em um recipiente isolado termicamente. Em virtude do atrito das pás com a água, o peso caía com velocidade praticamente constante, ou seja, sua energia cinética mantinha-se invariável. Portanto, a energia potencial perdida pelo peso era integralmente transformada em energia interna da água, devido à agitação nela provocada pelas pás. Deste modo, a temperatura da água sofria uma elevação (de maneira semelhante ao que ocorreria se ela estivesse recebendo calor). Um termômetro adaptado ao aparelho permitia a Joule medir esta elevação de temperatura.

Conhecendo o valor do peso cuja queda acionava as pás e a altura desta queda, Joule pôde calcular a energia potencial perdida por este peso, por meio da equação Ep = Mgh, onde Ep é a energia potencial adquirida pelo peso, M é a massa do peso, g é a aceleração da gravidade (g = 9,8 m/s²) e h é a altura da qual o peso está do solo. Todavia, sabendo o valor da massa da água no recipiente e tendo medido a elevação de sua temperatura, foi possível a ele calcular a quantidade de energia térmica transferida a água, por meio da equação dQ = mc . dt, onde dQ é a quantidade de calor transferida a água, m é a massa da quantidade de água, c é o calor específico da água (c = C/m = dQ/dt/m = 1 Cal/g . °C) e dt é a variação de temperatura ocorrida na água. Comparando estes dois valores (Ep e dQ), Joule conseguiu estabeler a relação procurada, isto é, quantos Joules de energia mecânica equivalem a 1 caloria de calor. Hoje, sabemos que 1 Cal equivale à 4,18 Joules. Com essa experiência, Joule contribuiu imensamente para a evolução do estudo do calor e ainda estabeleceu uma nova forma de energia.