Física é Tudo: junho 2012

James Watt

Inventor da moderna máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial, James Watt foi mundialmente reconhecido quando seu nome foi dado à unidade de potência de energia -- watt.

James Watt nasceu em Greenock, Escócia, em 19 de janeiro de 1736. Aos 19 anos foi para Londres fazer aprendizado de mecânico especializado na construção de instrumentos, mas em menos de um ano regressou à Escócia, por motivos de saúde. Por não possuir o certificado de aprendiz, teve dificuldades em montar uma oficina em Glasgow. Em 1757, no entanto, conseguiu ser escolhido para fabricar e reparar instrumentos matemáticos da Universidade de Glasgow.

Em 1763 recebeu para consertar uma máquina a vapor do tipo Newcomen, a mais avançada de então. Observou que a perda de grandes quantidades de calor era o defeito mais grave da máquina, e idealizou então o condensador, seu primeiro grande invento, dispositivo que seria mantido separado do cilindro mas conectado a ele. No condensador a temperatura do vapor seria mantida baixa (cerca de 37o C), enquanto que no cilindro permaneceria elevada. Procurou, assim, alcançar o máximo de vácuo no condensador. Watt fechou o cilindro, que antes permanecia aberto, eliminou totalmente o ar e criou uma verdadeira máquina a vapor.

Em 1769 obteve a primeira patente do invento e de vários aperfeiçoamentos por ele próprio concebidos. Endividado, associou-se a John Roebuck, que o ajudou financeiramente. Um protótipo foi construído e sobre ele se realizou a correção de algumas falhas. Matthew Boulton, dono de uma firma de engenharia, comprou a parte de Roebuck e deu início à construção das máquinas projetadas por Watt.

De amplo emprego na secagem de minas, o engenho de Watt era destituído de qualquer aplicação mais prática até que seu inventor idealizou a "gaveta", movida pela própria máquina e destinada a fazer o vapor atuar sobre as duas faces do êmbolo, ao mesmo tempo que impelia o vapor para o condensador. Novos detalhes foram ainda aperfeiçoados até que o motor atingiu a forma sob a qual tornou-se universalmente empregado a partir de 1785. James Watt morreu em Heathfield Hall, perto de Birmingham, Inglaterra, em 25 de agosto de 1819.

Thomas Newcomen

Inventor, ferreiro e mecânico inglês nascido em Dartmouth (1962), Devon, England, que a partir do aperfeiçoamento do modelo de Thomas Savery, de quem era sócio, criou (1712) uma nova máquina a vapor para drenagem de minas, denominada de pistão de Newcomen. Essa máquina possuía uma viga horizontal à semelhança de uma gangorra, da qual pendiam dois êmbolos, um em cada extremidade. Um êmbolo permanecia no interior de um cilindro e quando o vapor penetrava no cilindro, forçava o êmbolo para cima e acarretava a decida de outra extremidade. Borrifava-se água fria no cilindro, o vapor se condensava e o vácuo sugava o êmbolo de novo para baixo. Isto elevava o outro extremo da viga, que se ligava ao êmbolo de uma bomba na mina. Assim fez combinar o pistão como um meio de aproveitar tanto a expansão do vapor, na subida, com o vácuo repentino devido à condensação do vapor, na descida.

Este seu invento foi um marco na revolução industrial e serviu de base histórica para a mecanização de toda a indústria. Com sua engenhosidade criou uma máquina a vapor como um engenho prático, suficientemente poderoso para garantir muitas minas inglesas contra inundações. Durante cinqüenta anos que se seguiram, sua máquina foi usada para bombeamento, sempre que não havia energia hidráulica à disposição. Porém sua principal inviabilização para outros propósitos era seu grande consumo de combustível. Com seu assistente bombeiro John Calley ou Cawley, tornaram-se os precursores da máquina a vapor, ao pesquisarem sobre o assunto por mais de dez anos. Ambos desenvolveram um novo conceito: o uso de um conjunto cilindro-pistão para o bombeamento de água, constituindo a primeira máquina térmica, pois seu funcionamento era cíclico. Morreu em Londres deixando a idéia básica para os trabalhos do engenheiro civil John Smeaton (1724-1792), de James Watt (1736-1819), mecânico escocês que aperfeiçoou o modelo de Newcomen (1765). Um inglês, George Stephenson (1781-1848 ), revolucionou os transportes com a invenção da locomotiva a vapor (1814).

Máquinas Térmicas

Máquinas térmicas são máquinas capazes de realizar trabalho a partir da variação de temperatura entre uma fonte fria e uma fonte quente. A grande maioria dessas máquinas retira calor de uma fonte quente. Parte desse calor realiza trabalho e a outra parte é jogada para a fonte fria, definindo, dessa forma, a eficiência da máquina. Uma máquina térmica tem maior eficiência quando ela transforma mais calor em trabalho, portanto, rejeita menos calor para a fonte fria.

No século passado, os cientistas estabeleceram de forma definitiva que o calor é uma forma de energia. No entanto, na Antiguidade já se sabia que o calor pode ser utilizado para produzir vapor e que este, por sua vez, poderia ser utilizado para realizar trabalho mecânico. Foi essa ideia que o inventor grego Heron teve no século I d.C. Heron construiu um dispositivo que era constituído por uma esfera de metal com dois furos, dos quais escapava ar quente (vapor) que era proveniente do aquecimento da água.

Hoje, em linguagem moderna, o dispositivo criado por Heron é uma máquina térmica, ou seja, um dispositivo que transforma calor em trabalho mecânico. Contudo, o dispositivo criado por Heron não foi utilizado para produzir grandes quantidades de energia mecânica. Somente no século XVIII foram construídas as primeiras máquinas capazes de realizar trabalhos em grandes escalas, ou seja, trabalhos industriais.

As primeiras máquinas do século XVIII tinham rendimentos muito baixos, ou seja, consumiam grandes quantidades de combustível e realizavam pequenos trabalhos. Foi por volta de 1770 que o inventor escocês James Watt apresentou um modelo de máquina que substituiu as máquinas que até então existiam, pois era mais eficiente e apresentava enormes vantagens. De maneira bem simplificada, podemos dizer que a máquina proposta por Joule retirava calor de uma fonte quente; com parte desse calor ele realizava um trabalho movendo um pistão e o restante ele rejeitava para uma fonte fria.

A máquina proposta por Watt foi empregada nos moinhos e no acionamento de bombas d’água inicialmente, mas posteriormente passou a ser empregada nas locomotivas e nos barcos a vapor. Ela ainda passou a ser muito utilizada nas fábricas como meio para acionar dispositivos industriais. Esse foi um dos fatores que motivaram a Revolução Industrial.

Referências

http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/maquinas-termicas.htm

Q = m.c.Δt

Sara Rocha

Experimento feito no laboratório da escola, com o objetivo de descobrir qual dos alimentos é o mais energético, Apostila de Física 2º ano volume 2 págs 36 a 38.

Trabalho em desenvolvimento nas aulas de física.

Medindo a velocidade da luz usando o microondas

Objetivo:

Medir a velocidade da luz com um forno de microondas.

Descrição:

Hoje em dia, quase toda cozinha de classe média tem um forno de micro-ondas. Vamos usar um desses fornos para medir a velocidade da luz. Na verdade, medimos o comprimento de onda da radiação do forno e daí achamos a velocidade. Não é bem a luz visível, mas é uma onda eletromagnética.

Use um forno sem rotação e sem espelho giratório. Parece receita culinária: pegue uma travessa de vidro pirex e ponha nela uma camada de uns dois centímetros de margarina, marchemelo ou cobertura de sorvete. Serve qualquer material comestível pastoso. Coloque nas microondas em calor baixo. A pasta começa a derreter onde o calor é mais intenso. Quando estiver derretido em alguns pontos, retire a travessa do forno.

Observe que a massa tem pontos derretidos. Meça as distâncias entre vários pontos contíguos e calcule a média desses valores. Deve dar um número próximo de 10 a 15 centímetros. Esse valor é o comprimento de onda L da radiação de micro-ondas do forno.

Obtenha o valor da freqüência da micro-onda do forno. Em geral, esse valor está escrito atrás do forno ou embaixo dele. Se não, deve estar no Manual de Instruções. Um valor usual é 2450 megahertz.

Pronto. Temos a freqüência f e medimos o comprimento de onda L. Para saber a velocidade da onda eletromagnética basta multiplicar os dois: c = f L. Fazendo a medida com algum cuidado é possível obter um valor com erro menor que 5%.

Depois você pode servir o material com cobertura de chocolate.

Análise:

A distância entre dois máximos consecutivos de uma onda é o que chamamos de comprimento de onda. A freqüência indica quantos desses máximos passam por unidade de tempo. Podemos determinar a velocidade da onda (c), pois ela é o produto da freqüência ( f ) pelo comprimento de onda ( L ), isto é: c = f . L. Se você usou a freqüência em Hertz e o comprimento de onda em centímetros, a velocidade será dada em centímetros por segundo. Converta esse valor em quilômetros por segundo como é usual para a velocidade da luz.

Material:

Forno de micro-ondas.

Travessa de vidro pirex.

Material comestível pastoso: pode ser marchemelo, pirê de batatas, cobertura de sorvete, etc. Experimente e escolha o mais adequado.

Régua graduada.

Dicas:

O essencial é ensinar ao seu público que a micro-onda é prima da luz visível: só não vemos micro-ondas porque nossos olhos não são sensíveis a elas. Mas, como toda onda eletromagnética, tem a mesma velocidade da luz que queremos medir.

Junte essa experiência com outra onde usamos um aparelho de TV. Nesse caso, o comprimento de onda é ainda maior, na ordem de alguns metros.

Essa interessante experiência foi sugerida por Robert H. Stauffer, Jr., na revista The Physics Teacher de Abril de 1997, página 231.