Termodinâmica do inferno

Esta é clássica então fiz um "cut and paste" As boas piadas não devem ser mexidas. Das muitas versões escolhi esta porque aparentemente está mais próxima do original e pela qualidade da tradução.

O Dr. Schambaugh, professor da escola de Engenharia Química da Universidade de Oklahoma é reconhecido por fazer perguntas do tipo: "Por que os aviões voam?" em suas provas finais. Sua única questão na prova final de maio de 1997 para sua turma de Transmissão de Momento, Massa e Calor II foi: "O inferno é endotérmico ou exotérmico? Justifique sua resposta." Vários alunos justificaram suas opiniões baseados na Lei de Boyle ou em alguma variante da mesma. Um aluno, entretanto, escreveu o seguinte:
"Primeiramente, postulamos que se almas existem então elas devem ter alguma massa. Se elas têm, então um mol de almas também tem massa. Assim sendo, o estado termodinâmico do inferno é função da grandeza de seu volume de controle e da taxa do fluxo líquido das almas que passam pelo mesmo.
Eu acho que podemos assumir seguramente que uma vez que uma alma entra no inferno ela nunca mais sai. Por isso não há almas saindo. Para as almas que entram no inferno, vamos dar uma olhada nas diferentes religiões que existem no mundo hoje em dia. Algumas dessas religiões pregam que se você não pertencer a ela, você vai para o inferno. Como há mais de uma religião desse tipo e as pessoas não possuem duas religiões, podemos assumir que todas as pessoas e almas vão para o inferno.
Daí tem-se que a integral de superfície do fluxo de almas sobre o volumede controle do inferno é negativa o que, de acordo com o teorema da divergência de Gauss implica dizer que a integral de volume da divergência do fluxo de almas com relação ao volume de controle do inferno é também negativa.
Com as taxas de natalidade e mortalidade do jeito que estão, podemos esperar um crescimento exponencial das almas no inferno em função do tempo.
Agora vamos olhar a taxa de mudança de volume de controle do inferno. A Lei de Boyle diz que para a temperatura e a pressão no inferno serem invariantes ao tempo, a relação entre a massa das almas e o volume de controle do inferno deve ser constante.
Existem então duas opções:
1 - Se o volume de controle do inferno se expandir numa taxa menor do que a taxa de almas que entram no mesmo, então sua temperatura e pressão vão aumentar até ele explodir.
2 - Se o volume de controle do inferno estiver se expandindo numa taxa maior do que a da entrada de almas, então a temperatura e a pressão irão baixar até que o inferno se congele. Então, qual das duas? Se nós aceitarmos o que Theresa Manyam me disse no primeiro ano: "haverá
uma noite fria no inferno antes que e eu me deite com você", e levando em conta que ainda NÃO obtive sucesso na tentativa de me deitar com ela,
então a opção 2 não é verdadeira. Por isso, o inferno é exotérmico." O aluno Tim Graham tirou o único A na turma.

Em tempo: quase com certeza esta piada não é verdadeira e não passa de mais uma lenda universitária.

Fonte: http://www.humornaciencia.com.br/fisica/inferno.htm

Pilhas alcalinas

Cerca de 80% das pilhas usadas no mundo são alcalinas. Nasceu hoje, em 1927, o engenheiro químico Lewis Urry inventor deste tipo de pilha. A patente foi tirada em 1957 e a fabricação começou em 1959. Urry era detentor de cerca de 50 patentes e morreu em 2004.

TD 004 - Calor e trabalho

Calor e trabalho

A energia em transito através da fronteira de um sistema pode ser ou calor ou trabalho. A distinção é causal. Por isso, a atenção deve se focar na causa da movimentação. Se o movimento de energia tiver por causa uma diferença de temperatura, ele recebe o nome de calor. Se a causa for qualquer outra, menos diferença de temperatura, o transito de energia através da fronteira recebe o nome de trabalho.

PRÓXIMO: Termodinâmica 005 - Calor

TD 003 - Energia interna

A energia do sistema, que é toda a energia contida no sistema, não importando a natureza e nem onde esteja localizada, é conhecida como energia interna do sistema. Obviamente, é impossível medir o conteúdo energético absoluto dos sistemas, pois a energia impregna todos os entes materiais presentes nos sistemas nas formas de energia cinética e potencial. Ela está, portanto, nos movimentos translacionais, vibracionais e rotacionais das moléculas como energia cinética e nos vários níveis de energia do núcleo e da capa eletrônica dos átomos, presentes nas moléculas e cristais, como energia potencial. Se o sistema estiver em movimento, a energia cinética do sistema como um todo também deve ser incluída com base num referencial inercial que pode estar vinculado ao sistema ou não. A aceleração resulta num aumento e a desaceleração numa redução da energia cinética. Se o sistema estiver num campo de força, qualquer movimento no campo implica numa perda ou ganho de energia potencial.

Exemplo 3.1. – Um automóvel pode ser um sistema. Uma das fronteiras possíveis é a superfície externa do automóvel. No entanto, a localização exata necessita ser negociada e algumas fronteiras imaginárias acrescentadas.. Neste exemplo, a escolha não importa muito. O importante é que o automóvel, incluindo o motorista e tudo o que estiver no seu interior, façam parte do sistema. Se o motorista acelerar o automóvel, o sistema ganha energia cinética em relação a um referencial fixo no solo. Se o motorista pisar no freio, o sistema perde energia cinética. Se o motorista percorrer uma estrada subindo uma montanha, o sistema ganha energia potencial gravitacional. Ao descer, ele perde energia potencial.

Resumindo, não há como medir o valor absoluto da energia interna dos sistemas, pois existe sempre o risco que algo seja esquecido ou ignorado. Especialmente a energia contida dentro do núcleo e da capa eletrônica dos átomos. Por isso, o que se mede são as variações da energia interna através de balanços envolvendo o sistema e sua vizinhança. Estes balanços se fundamentam no primeiro princípio da termodinâmica que será visto mais adiante. Neles, a energia é contabilizada como saldo. Saldos positivos implicam em ganho de energia pelo sistema e saldos negativos, em perda. Os sistemas considerados, salvo menção em contrário, são fixos no espaço e no tempo em relação a um referencial inercial. Também, salvo menção em contrário, quando um campo de força for mencionado sem adjetivação ele será o campo gravitacional.

PRÓXIMO: TD 004 - Calor e Trabalho

O fim do calórico

Hoje, 25 de janeiro, em 1798, Benjamin Thompson, apresentou uma comunicação à Sociedade Real sobre o calor produzido na fricção lançando a idéia de que o calor seria uma forma de movimento e não um fluido como todos pensavam. Ele chegou a esta conclusão observando a perfuração de peças de bronze para fabricação de canhões, concluindo que a única coisa transmitida na perfuração era o movimento da broca e que a capacidade da perfuração em aquecer era inesgotável contrariando a teoria do calórico de Lavoisier. Com isso, Thompson revolucionou a termodinâmica. O fim do calórico foi um passo importante na direção do princípio da conservação da energia que seria formulado no século seguinte por Mayer.

Benjamim Thompson, Conde de Rumford, nasceu em 26 de março de 1753, na zona rural de Woburn, no estado americano de Massachussetts. A casa onde nasceu foi tombada e transformada em museu. Foi educado principalmente na escola da aldeia natal, mas acompanhava Loami Baldwin até Cambridge para assistir do Professor John Winthrop na Universidade Harvard. Aos 13 anos trabalhou para o comerciante John Appleton como aprendiz, mostrando ser um excelente comerciante e entrando em contato, pela primeira vez, com pessoas refinadas e de bom nível educacional.

Em 1972, casou-se com Sarah Rolfe de família rica e bem relacionada que, devido a sua influência, conseguiu que Thompson fosse nomeado major da milícia de New Hampshire.

Quando a revolução americana começou, Thompson tomou o partido da corôa trabalhando em favor dos ingleses no recrutamento e na tropa como coronel. Por isso, em 1776, quando uma multidão atacou a sua casa, fugiu para a Inglaterra onde foi bem recebido. Na fuga abandonou a esposa.

Em 1785, mudou-se para a Bavária, onde trabalhou uma boa parte de sua vida como funcionário do governo e como ajudante de ordem do príncipe Carl Theodor recebendo a incumbência de reorganizar as tropas. Foi neste período que inventou uma sopa destinada aos pobres. Por esta e outras atividades recebeu o título de Conde de Rumford. Retornando à Inglaterra, se dedicou ao aperfeiçoamento da lareira criando a chamada lareira Rumford em 1790. Em 1804 casou com a viúva de Lavoisier, da qual se separou um ano depois, fixando residência na França onde faleceu em 21 de agosto de 1814.

Para que não fique a impressão de que os trabalhos do Conde Rumford foram poucos lembro que, a Harvard University Press publicou uma coletânea dos trabalhos composta por 5 volumes. Uma das crateras da Lua tem o seu nome.

George Davis, o inventor da engenharia química

George Davis (1850-1906) foi a primeira pessoa a usar o termo engenheiro químico para designar o engenheiro especializado em indústrias químicas. Em 1880, ele escreveu na revista Chemical News 'Um engenheiros químico é uma pessoa que possui conhecimentos de química e macânica, e que aplica estes conhecimentos na utilização, em escala industrial, da ação química'. Em 1881, ele participou da fundação da Sociedade da Indústria Química, que ele propôs, sem êxito, que se chamasse Sociedade de Engenharia Química. Foi ele, também, a primeira pessoa a ministrar um curso de doze aulas sobre engenharia química, em 1888, na escola Técnica de Manchester, hoje UMIST. Nestas aulas ele introduziu o conceito de operação unitária. Este curso serviu de estimulo para a criação do primeiro curso regular de engenharia química no MIT, Estados Unidos, no ano seguinte. George Davis também escreveu o primeiro Manual de Engenharia Química com cerca de 1000 páginas, editado em 1901 e revisto em 1904 dois anos antes de sua morte. A primeira edição do Manual do Perry só viria aparecer trinta anos depois, em 1934.

George Davis nasceu em Eton, Inglaterra, em 27 de julho de 1850. Aos 14 anos se tornou aprendiz de encadernador saindo para estudar química. Iniciou no Slough Mechanic Institute para depois passar um ano no Royal School of Mines em Londres, hoje parte do Imperial College, que pode ser considerada sua alma mater. Dai seguiu para trabalhar nas indústrias químicas nos arredores de Manchester.

O fato dele ter trabalhado muito tempo como inspetor do rei para verificar o cumprimento do Decreto do Alcali na parte referente a poluição atmosférica permitiu que ele pudesse entrar livremente nas indústrias acompanhando o processo e conversaando com os profissionais. Sem isso, provavelmente, ele não teria sido o inventor da engenharia química.

Derivada de uma função

Dada uma função y = y(x) a derivada desta função pode ser definida como sendo

Calcular a derivada de uma função é calcular o limite acima. Considerando, por exemplo, a função

y = x

o roteiro de cálculo é:

Considerando agora a função

resulta

A derivada admite várias interpretações. A primeira é a interpretação geométrica. Nesta interpretação ela é a tangente trigonométrica do ângulo que a tangente a curva faz com a direção positiva do eixo dos x. A segunda é a interpretação física. Se y for a distancia percorrida e x for o tempo, a derivada pode ser interpretada como a velocidade.

A invenção da derivada provocou uma amarga disputa entre Newton e Leibniz envolvendo os amigos de ambos. Newton se envolveu mais nesta briga do que Leibniz

Newton chegou ao cálculo diferencial motivado pelo desenvolvimento da mecânica onde os conceitos de distância percorrida, velocidade e aceleração são importantes. Leibniz era matemático entre outras habilidades. Ele chegou ao cálculo diferencial por interesses matemáticos. Hoje é aceito que ambos chegaram ao cálculo diferencial independentemente. Newton antecede a Leibniz cerca de 10 anos, mas Leibniz publicou antes. A forma de abordagem e a notação usada hoje veio de Leibniz.

TD 002 - Matéria e energia

O universo é constituído basicamente por matéria e energia. Os sistemas termodinâmicos, sendo porções do universo, são também compostos por matéria e energia que são conceitos primitivos, portanto, intuitivos. Isso significa que não podem ser definidos sem cair numa tautologia.

Nesta situação, o melhor é usar os atributos básicos. Assim, a matéria é concreta e ocupa espaço físico, a energia não. A matéria tem massa de repouso e a energia não tem. A matéria é bariônica e a energia é fotônica. Logo são coisas diferentes. Todo mundo sabe disso, mas faltam as palavras adequadas para uma boa explicação.

Apesar das diferenças, a equivalência entre matéria e energia é estabelecida pela fórmula mais famosa e conhecida de Einstein:

E = mc²

Ela diz basicamente que, se uma quantidade m de matéria desaparece, uma quantidade E de energia surge em seu lugar ou vice-versa. A constante, c, que aparece na fórmula é a velocidade da luz no vácuo que é uma constante universal usada no SI para definir a unidade de comprimento, o metro.

A Termodinâmica, pelo menos a usada na engenharia química, aborda fenômenos onde esta conversão matéria-energia ou não ocorre, ou pode ser desprezada. Nestas circunstâncias, matéria e energia são coisas distintas e que obedecem a leis de conservações próprias e separadas.

Na física a massa surge em dois contextos. Na lei da inércia de Newton, a aceleração de um corpo é proporcional a resultante das forças aplicadas sobre ele. A constante de proporcionalidade é a massa do corpo. Esta massa é conhecida como massa inercial. Na lei da gravitação, também de Newton, a força de atração gravitacional entre dois corpos é diretamente proporcional ao produto das massas dos corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. A massa que aparece nesta lei é a massa gravitacional. É surpreendente que sejam iguais, mas a teoria da relatividade se baseia na equivalência entre gravitação e inércia.

Nos sistemas termodinâmicos, a matéria é constituída por partículas elementares que se juntam para formar átomos, os quais, por sua vez, se unem para formar moléculas, íons, radicais livres, etc. As interações entre estas partículas elementares fazem com que a matéria possa, sob o ponto de vista macroscópico, se apresentar em três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso. Existem outros estados da matéria, mas, por enquanto, estes são suficientes.

A energia é um ente físico-matemático, que decorre da aplicação das leis de Newton e que está intimamente associada com as partículas materiais nas formas de energia cinética e potencial. A energia cinética se esconde nos movimentos translacionais, vibracionais e rotacionais destas partículas. A energia potencial, por seu lado, está associada aos campos de força, entre os quais os mais conhecidos são os campos gravitacional e eletromagnético. Assim, existe a energia potencial devida ao posicionamento dos elétrons na capa eletrônica dos átomos e ao posicionamento dos prótons e nêutrons nas camadas de energia do núcleo atômico. Apesar de estar intimamente ligada a matéria, a energia pode trafegar sozinha no espaço vazio na forma de fótons.

Quantos tipos de água existem no nosso planeta?

Considerando que existem três isótopos do hidrogênio na natureza, hidrogênio (H), deutério (D) e trítio (T), podemos listar três tipos de água: H2O, D2O e T2O. Como estes isótopos podem ser combinados par a par na molécula de água, podemos listar mais três tipos de água: HDO, HTO e DTO. Com isso temos seis tipos de águas considerando apenas os isótopos do hidrogênio. No entanto, na natureza, existem três isotopos de oxigênio: o oxigênio-16, o oxigênio-17 e o oxigênio-18. Isso nos leva a aumentar as águas existentes no nosso planeta para dezoito tipos que podem obtidos em forma pura pelos químicos.

TD 001 - Sistemas

Por sistema, entende-se qualquer porção do universo separada, real ou imaginariamente, para fins de estudo. Em geral, o sistema é um artefato como, por exemplo, um reator, um evaporador, uma fornalha, uma dorna de fermentação, uma cuba eletroquímica, etc. Pode ser uma porção de espécie química pura ou de mistura de espécies químicas.

A superfície que separa o sistema do resto do universo é conhecida como fronteira do sistema. Ela é uma superfície no sentido geométrico deste termo, isto é, imaterial e sem espessura, servindo apenas para separar o que pertence ao sistema do que não pertence ao sistema. A fronteira pode coincidir ou não com interfaces entre fases. Se ela coincide com interfaces, ela é dita real. Se não coincidir, ela será considerada imaginária.

O resto do universo, separado do sistema pela fronteira, é chamado ambiente do sistema. A porção do ambiente adjacente ao sistema e que é capaz de interagir diretamente com ele é chamada vizinhança do sistema.

A precisão na localização da fronteira é fundamental. Sem isso, duas pessoas, interessadas num mesmo artefato, podem estar estudando sistemas diferentes pensando ser o mesmo apenas porque não escolheram a mesma fronteira por uma falha de comunicação. Observe também que, na escolha dos sistemas, não existe uma resposta certa já que ela é pessoal. Se mais de uma pessoa estiverem envolvidas no estudo, a escolha do sistema deverá ser consensual. Por outro lado, sempre existe o sistema mais prático, que é aquele que simplifica a realização do estudo desejado, cabe a cada um encontrá-lo e não existe uma regra universal para isto.

Na construção dos sistemas as fronteiras reais, isto é, as interfaces entre fases, surgem como escolhas naturais. As fronteiras imaginárias devem ser evitadas na medida do possível pela dificuldade em localizá-las exatamente. Claro que são inevitáveis em certas situações, como nos bocais de entrada e saída de equipamentos, onde são necessárias para completar fronteiras reais. As fronteiras totalmente imaginárias aparecem quando se considera volumes de controle, que são volumes imaginários com fronteiras imaginárias, usados na modelagem matemática de operações e processos.

Não custa repetir “ad nauseam”, seja qual for o sistema escolhido, muita atenção deve ser dada a localização precisa da fronteira de forma a deixar bem claro o que está dentro e o que está fora do sistema. O que é parte do sistema, o que é parte da vizinhança do sistema e o que é parte do ambiente do sistema. A especificação exata da fronteira é crucial.