Física

Desde a Antiguidade que a observação, discussão e reflexão sobre as causas dos fenómenos que ocorrem na Natureza (que no seu significado actual mais amplo envolve não só a escala subatómica dos fenómenos terrestres, mas também o Universo) levou à formulação de teorias filosóficas e raramente verificadas por testes experimentais sistemáticos. A Filosofia, com a organização e sistematização de ideias e métodos lógicos, surge assim, na Grécia Antiga, como “a mãe de todas as ciências”. Foi com a Revolução Científica, no entanto, a partir do séc. XVII (época de Galileu, Kepler, Pascal, Newton e outros pensadores), que se diferenciam as “Ciências Naturais” da “Filosofia” as quais seguiam o método científico, mais estruturado e prático, pois era baseado na experimentação. (Nota: O método científico é um conjunto de regras básicas que permitem desenvolver uma experiência com o fim de produzir novo conhecimento, bem como corrigir e integrar conhecimentos pré-existentes. Começa com a observação e a quantificação de um efeito por recolha de dados, seguindo-se a formulação de hipóteses, o desenvolvimento e a realização de experiências em condições controladas, a análise e a interpretação imparcial dos resultados. Finalmente, dá origem à concepção de teorias e à eventual formulação de novas hipóteses).

Figura 01: Galileo Galilei (1564 –1642) - físico, matemático, astrónomo e filósofo italiano.
Fonte: Wikipedia

Tal como nos nossos dias, os media desempenharam um papel fundamental para a divulgação da ciência, com a criação, por Gutenberg no séc. XV, da prensa de impressão gráfica (que usava uma liga metálica mais resistente ao desgaste e tinta de base óleo, as quais possibilitaram a produção rápida e em série de textos escritos de maior qualidade). Este meio de comunicação poderoso facilitou a documentação e a divulgação de dados, procedimentos e resultados para que outros cientistas pudessem analisar e reproduzir experiências. Apesar da experimentação ter sido vital, foi a difusão da Matemática que permitiu desenvolver um método científico mais rigoroso e crítico e também aumentar as aplicações tecnológicas, o que modificou a forma de fazer ciência.

Dentro das Ciências Naturais desenvolveram-se, entre outras, a Astronomia (estudo dos corpos celestes), a Biologia (estudo dos seres vivos), a Física e a Química como áreas de conhecimento autónomas. Contudo, a transversalidade é frequente quando analisamos alguns casos quotidianos. Os meios de transporte que usamos, os cozinhados que confeccionamos, o tratamento do lixo que fazemos, são exemplos onde podemos aplicar conceitos que estão associados a mais do que uma das áreas básicas: a Física, a Química, a Biologia ou a Matemática. Por isso, surgiram áreas como a Química-Física, a Biofísica, a Geofísica, a Bioinformática, etc. Na realidade actual as divisões da ciência têm mais a ver com a sua origem social e histórica.

A Química é o ramo das Ciências que estuda a constituição dos materiais e as transformações “químicas” que levam à formação de novos materiais ou à melhoria do processo de obter os já existentes. Complementarmente, actua na verificação da qualidade dos produtos fabricados e no controlo da qualidade ambiental. Mas o desenvolvimento de áreas da Física, como a Mecânica Quântica e a Termodinâmica, possibilitaram a compreensão dos mecanismos das reacções químicas.

A génese da Física (do grego physis, ‘natureza’) remonta à Antiguidade onde os "físicos" eram todos aqueles que se dedicavam ao estudo da natureza (quem já não ouviu falar da lenda de Arquimedes gritando "Eureka! Eureka!” ao descobrir como poderia verificar se a coroa do rei era de ouro maciço ou não). A Física é a ciência que estuda as propriedades fundamentais da matéria e do seu movimento, o espaço, o tempo e a energia resultante das suas interacções. Mas esta definição terá de ser mais alargada pois muitos fenómenos explicados por outras ciências são igualmente explicados pela Física. A Física baseia-se nas observações e nas experiências que permitem formular leis habitualmente expressas por fórmulas matemáticas. Tradicionalmente é usual dividir-se o estudo da Física em diversas partes, como por exemplo: a Mecânica, a Termodinâmica, a Óptica, o Electromagnetismo, a Mecânica Quântica, a Física Atómica, a Física Nuclear, a Relatividade…

Figura 02: Arquimedes e alguns dos princípios que desenvolveu. Arquimedes e a sua alavanca: "Dêem-me um ponto de apoio que moverei a Terra"; Princípio de Arquimedes (ou da Impulsão): "Um corpo imerso num fluido é impulsionado para cima por uma força igual ao peso de fluido deslocado".
Fonte: Wikipedia e CEPA

Neste portal, faz-se uso dos princípios da Física associados ao ramo da Termodinâmica nos fundamentos de “Transferência de Calor e de Massa ”. Estes são aplicados no dimensionamento e análise de equipamentos industriais onde se pretende aquecer ou arrefecer materiais e fluidos. São exemplos, os permutadores de calor usados na pasteurização do leite, os sistemas de ar condicionado dos automóveis ou os sistemas frigoríficos utilizados para refrigeração e conservação de frutas e legumes.

Um dos conceitos fundamentais da termodinâmica é o de “Sistema”. Sistema é uma porção de matéria separada do exterior por uma fronteira (Fig. 3). A Termodinâmica estuda os fenómenos e as leis que governam as diversas formas de energia e os processos de conversão da energia (E) nas suas diversas formas (semanticamente quer dizer “movimento da energia térmica” e como a energia induz movimento). A conversão de uma forma de energia noutra é designada por “transformação de energia”, enquanto o processo de passagem de energia de um sistema para outro é designado “transferência de energia”. Na Termodinâmica Clássica, que é baseada em leis empíricas (os Princípios da Termodinâmica), os fenómenos são interpretados a partir de uma abordagem macroscópica da estrutura da matéria, por análise dos efeitos da alteração da temperatura, pressão e volume dos sistemas físicos (propriedades que podemos medir no laboratório). Estas propriedades fundamentais estão relacionadas entre si por relações matemáticas designadas “equações de estado”. O Primeiro Princípio da Termodinâmica postula que a energia pode ser trocada entre um sistema e o exterior como “calor” (Q) ou “trabalho” (W), como mostra a eq.1. O Trabalho é uma medida da energia transferida pela aplicação de uma força ao longo de um deslocamento enquanto o Calor é a energia transferida devido a uma diferença de temperaturas. Uma das vertentes mais importantes da Termodinâmica é o estudo das alterações dos estados de um sistema, entre um estado de equilíbrio final (f) e outro inicial (i), sem, no entanto, dar informação quanto à velocidade com que se alcançam os referidos estados. Além disso, para que exista equilíbrio, é necessário que as transformações se processem muito lentamente (processos reversíveis). Assim, como complemento, surge a secção “Modos de Transferência de Calor ” e o módulo “Transferência de Calor e de Massa ” onde são apresentados alguns dos formalismos para a determinação da velocidade de transferência de uma das formas de energia – a energia térmica, ou calor. Os estados em que não existe equilíbrio são estudados pela Termodinâmica dos Processos Irreversíveis.

Figura 03: Ilustração do 1º princípio da termodinâmica.

Em Termodinâmica os fenómenos também podem ser interpretados a partir de uma abordagem microscópica da estrutura da matéria, como se verá na secção seguinte.

Chama-se a atenção para uma outra apresentação possível da eq. 1, que surge nalguns livros, com a introdução de uma terceira forma de transferir energia entre sistemas: a radiação. Neste portal, a radiação térmica está englobada no termo Q, como um dos modos de transferência de calor, em paralelo com a condução ou com a convecção.

Bibliografia 

As referências bibliográficas e a bibliografia recomendada encontram-se no final da secção de Caso de Estudo.