Ciencia No Iluminismo

A Ciência na Época do Iluminismo

Patrícia Carla de Oliveira Larissa Kely Dantas

Irene Cristina de Mello

Lydia Maria Parente Lemos dos Santos

A C iência na É poca I luminismo LICENCIATURA PLENA EM CIÊNCIAS NATURAIS E MATEMÁTICA - UAB - UFMT

Cuiabá, MT 2012

do

Instituto de Física Av. Fernando Correa da Costa, s/nº Campus Universitário Cuiabá, MT - CEP.: 78060-900 Tel.: (65) 3615-8737 www.fisica.ufmt.br/ead

A C iência na É poca I luminismo Autores Pat rícia Carla de O liveira Ire ne Crist ina de M e llo L ariss a Ke ly Dant as Lydia M aria Parente Lemos dos Santos

do

C o p y ri g h t © 2 0 1 2 UA B

Corpo Editorial • • • •



Denise Vargas Carlos Rinaldi Iramaia Jorge Cabral de Paulo Maria Lucia Cavalli Neder

Projeto Gráfico: PauLo H. Z. Arruda / Eduardo H. Z. Arruda / Everton Botan Revisão: Denise Vargas Secretária(o): Neuza Maria Jorge Cabral / Felipe Fortes

FICHA CATALOGRÁFICA

Sumário 1.

Q uímica

11

2.

Teoria

13

3. L eis

do flogístico

4. D alton 5. L eis 6.

A

21

ponderais das combinações químicas

25

e a concepção de átomo

29

dos gases

concepção e descoberta dos elementos químicos

7. E tapas

do grande corte epistemológico da

C iência 43

Q uímica

e o advento da

8. N a

noite se escondiam a natureza e suas leis :

disse , que surja

Q uímica M oderna

N ewton ! E

9. O bservando

37

D eus 51

tudo foi luz

regularidades : é possível prever o

acontecimento de um fenômeno natural?

55

10. H avia

65

uma coisa que

11. I luminando 12. N o

73

cidades

a óptica do

14. Fenômenos

83 87

S r . N ewton

89

ópticos

conhecimento em

16. C arolus L innaeus : 17. J ean B aptiste

não imaginava : a energia

fim do túnel , a luz

13. S obre 15. O

N ewton

B iologia

o organizador da

de la

M arck :

93

no I luminismo

B iodiversidade

um pensador da

E volução

B ibliografia B ásica

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97 105 10 9

IX

1

Q u í m i ca

É

a partir do século XVIII, também conhecido como o século das luzes (Iluminismo), que a Química passa a ser considerada como uma ciência

Razão em seu sentido original significa, por um lado reunir e ligar e, por outro, calcular, medir, ambos relacionados ao pensar, exposição clara de argumentos, movimento crítico.

racional. Para iniciar a nossa conversa, vamos refletir: você já parou para pensar como a razão mudou definitivamente a Ciência? E o que significa ser considerada uma ciência racional? Mas, embora nesta época a ciência Química apresente características próprias, ainda é possível observar a continuidade dos procedimentos empíricos do século XVII. Não podemos desconsiderar, por exemplo, que a Química Inorgânica do século XVII já possuía um acervo de substâncias e reações, e vários outros conhecimentos importantes para essa Química racional do século das luzes. Diante dessas primeiras considerações, vamos nos aventurar pela Química do século XVIII?

Ouse

conhecer !

O lema proposto pelo filósofo Immanuel K ant no século XVIII resumiu o estado de espírito que tomou conta de boa parte dos pensadores de um movimento intelectual que ficou conhecido como Iluminismo. Nele, a celebração da razão significou iluminar a mente e o futuro humano a partir da supremacia do conhecimento sobre as crenças metafísicas.

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Te o r i a

do

2

Flo g í s t i co

A

Química do século VIII possui como uma das suas principais características a formulação de teorias amplas para explicar os fenômenos naturais como, por exemplo, o fenômeno da combustão, que sempre foi uma investida dos homens desde os primórdios da ciência, porém essas explicações se baseavam eminentemente na interpretação qualitativa dos fatos. Uma dessas teorias, a do Flogístico, se preocupava, sobretudo com a explicação da combustão, mas de forma qualitativa também explicava outros fenômenos como a calcinação. Como já mencionado, A teoria do Flogístico é, na compreensão atual, tratada de forma simplista e hoje muitos químicos tida como “errada”, um equívoco da Química, sendo por vezes ridicularizada ainda tendem a ver a teoria do flogisto de forma mais pela proposição feita posteriormente na tentativa de explicar o ganho de peso quase cômica, em função, da proposidos metais após a calcinação. Contudo precisamos lembrar que a ciência constitui- sobretudo, ção feita depois, a fim -se também em função dos conhecimentos construídos no seu passado e não ape- de explicar o porquê dos metais ganharem massa nas por meio das teorias atuais. Assim, consideramos aqui que foi também sob a ao serem calcinados: o égide da Teoria do Flogístico que se construíram os conhecimentos necessários ao flogisto teria uma “massa negativa”. desenvolvimento da Química Moderna. O Flogístico possui um precursor, o alquimista Johann Joachim Becher e o sistematizador da teoria, Georg Ernest Stahl. Esta teoria considerava que quase todos os corpos (incluindo os metais) possuíam em sua composição uma substância combustível e imponderável, o flogisto (ou flogístico), a qual era perdida durante o processo de calcinação. O flogístico também era conhecido na época como “espírito ígneo”. De UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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Marc Bloch 1886 – 1944 “O passado é, por definição, um dado que nada mais modificará. Mas o conhecimento do passado é uma coisa em progresso, que incessantemente se transforma e aperfeiçoa.”

metal

cal + flogístico

cal

acordo com essa teoria, após a queima do metal e liberação do flogístico ou espírito ígneo, ainda restava um material, o que eles chamavam de “cal” do metal. Para esses estudiosos e formuladores da teoria, o flogístico fazia parte da matéria e seria liberado toda vez que o material sofresse combustão ou calcinação, ou seja, toda vez que fosse submetido a altas temperaturas. Então, para transformar a cal novamente em metal, bastava apenas devolver o espírito ígneo. Simples assim! O flogístico podia ser devolvido por intermédio do nosso conhecido carvão, como está demonstrado nas reações a seguir (figura 1). Esta teoria não conseguia explicar por que os metais aumentavam de peso, em vez de diminuírem pela perda do flogístico, durante a calcinação. No século XVIII (o “século das luzes”), surgiram explicações melhores para a combustão. Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) percebeu a importância do oxigênio para a reação de combustão. Quando Lavoisier iniciou seus trabalhos com enfoque eminentemente quantitativo, utilizando balanças de alta precisão, ele conseguiu medir a variação de massa durante as reações de combustão de diferentes substâncias, tornando claras as inconsistências da teoria do flogístico (figura 1).

calcinação

carvão

cal + carvão com flogístico

cal

cal + flogístico livre

combustão

metal

cal com flogístico + carvão desflogisticado

Lavoisier conseguiu mostrar que a combustão é uma reação de queima com o oxigênio e que na verdade a cal metálica, demonstrada no processo acima, trata-se de uma nova substância. Como contribuição e importância indiscutível para a evolução da Química, a teoria do flogístico teve o papel de direcionar os estudos químicos para outras áreas de conhecimento como a Mineralogia e os estudos dos gases.

Figura 1. Esquema de reações proposto

para explicar como o flogístico era liberado e como poderia ser devolvido, e assim recuperar o metal.

P r o p o n d o u m a at i v i d a d e e x p e r i m e n ta l Para explicar o fenômeno de combustão aos seus alunos do Ensino Médio, acenda uma vela e depois tampe-a, colocando um copo de vidro em cima. Peça para eles explicarem o que foi observado. Investigando as balanças Pesquisar as balanças utilizadas por Lavoisier e as balanças utilizadas hoje! Se possível, tente destacar as diferenças...

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Co nhecen do um pouco mais so br e J o ha n n J o ach i m B e ch e r e s u a o b r a Químico alemão nascido em 1635, perdeu o pai muito cedo, tendo aprendido conhecimentos de química e princípios morais mediante leituras (leitor ávido, era autodidata). Conta-se que aprendeu dez idiomas. Tornou-se médico (embora não tenha terminado um curso universitário) e conselheiro de um sábio arcebispo de Maniz (para quem trabalhou também Leibniz), tendo se convertido ao catolicismo. Morreu pobre em Londres, em 1682, depois de se reconverter ao protestantismo. Dentre suas obras está o famoso “Physica subterrânea” (Física Subterrânea, 1969), sobre os resultados de suas pesquisas com metais e minerais. Descreveu também o processo de fermentação alcoólica (1682). Becher rebatizou os três princípios de Paracelso como as terras vítreas, gordurosas e fluidas e criou a Teoria do Flogisto. Becher foi responsável por várias descobertas na área da Química: descobriu o gás eteno, pela desidratação do álcool em meio ácido e quente. Alguns historiadores consideram esta a sua única contribuição efetiva à Química, contudo é também atribuída à Becher a descoberta do alcatrão da hulha (1665), a possibilidade de obtenção de álcool a partir de batatas (Becher introduziu a batata na Alemanha, como alternativa de alimentação), entre outros, A obra fundamental de Becher é de fato uma proposta de teoria unificada da Química, a Teoria do Flogístico, considerando seus conhecimentos sobre combustão e partindo do Tria prima, conceito paracelsiano. Assim, em sua teoria sobre a matéria, as substâncias são constituídas por ar, água e terra, sendo que há três tipos de terra (vitrificável = sal, mercurial = mercúrio, combustível = enxofre = terra pinguis). Em suas observações, Becher verificou que as substâncias que queimavam não continham enxofre, portanto, não poderiam ser consideradas na combustibilidade dos materiais, mas sim o terra pinguis, uma espécie química, com peso e propriedades definidas (que seria chamado mais tarde de flogístico), que foi derivado de deduções a partir de experimentos empíricos. Apesar da tentativa de elaborar uma teoria da matéria e ter concebido uma explicação para a combustibilidade, Becher não conseguiu formular uma teoria mais abrangente. Georg Ernst Stahl daria continuidade ao trabalho de Becher, mas sempre reconhecendo a prioridade dele na autoria da Teoria do Flogístico.

Johann Joachim Becher (1635 – 1682)

O termo Flogístico vem do grego e significa inflamar-se.

Co nhecen do um pouco mais so br e G e o r g E r n s t S tah l e s u a o b r a Georg Ernst Stahl nasceu na Bavária em 1660, filho de um pastor protestante. Diferentes registros da sua vida referem que era um homem de carácter reservado. Stahl estudou medicina na Universidade de Jena e teve como colega Friedrich Hoffmann Georg Ernst Stahl (1659 – 1734) UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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(químico) e Georg Wolfgang Wedel (um dos principais representantes da iatroquímica1). Doutorou-se nessa universidade em 1684 e neste mesmo ano aceitou o convite de Hoffmann para lecionar medicina nessa instituição. Stahl trabalhou em conjunto com Hoffmann durante 20 anos, no entanto, ao longo desse tempo, a relação entre os dois tornou-se mais amarga, devido a diferenças de temperamento e a divergências quanto a fatos científicos. Ao contrário de Hoffmann, Stahl não aceitava que a vida poderia ser simplesmente explicada por processos mecânicos. Stahl considerava que os seres vivos continham “algo extra” a que chamou anima, a alma.

Va m o s P e n s a r . . . A partir da utilização de balanças de alta precisão, Lavoisier e outros químicos da época, como o escocês Joseph Black (1728-1799), contribuíram para demonstrar a necessidade e importância do uso de balanças no estudo da Química, colocando o ponto final na teoria do flogístico. Com a utilização de recursos laboratoriais como balanças, vidrarias, estufas, capelas entre outros, podemos observar em uma reação química que, às vezes, a massa dos reagentes em relação aos produtos pode aumentar, diminuir ou se manter constante. Pensando nisso, quando ocorre a perda de massa em uma reação? Quando há ganho de massa? Quando a massa se mantém a mesma tanto nos produtos, quanto nos reagentes?

D iminuiç ão

d e m a s s a p o r e va p o r a ç ã o d o s p r o d u t o s

Vamos utilizar um exemplo do nosso dia a dia para entender como ocorre a perda de massa em uma reação química. O que acontece se colocarmos fogo em um pequeno copo com álcool? Depois de alguns minutos o fogo irá se apagar porque acabou o álcool. Qual será a massa final dessa reação? Da mesma maneira, quando queimamos um pedaço de papel ou acendemos uma vela, restará uma massa menor que a inicial. A diminuição de massa ocorre porque parte do produto da reação de combustão é gasoso e se dissipa na atmosfera. Questão para Reflexão... Como já vimos anteriormente, o oxigênio é o elemento fundamental para uma reação de combustão. Se queimássemos uma folha de papel, sem deixar escapar o produto da combustão, e se medíssemos (pesássemos) a quantidade de oxigênio que reagiu, a balança indicaria perda, ganho ou a massa seria igual ao término da reação? ____________________ 1 Iatroquímica pode ser reconhecida como um conjunto de ideias que explicavam o funcionamento do corpo humano e as doenças segundo processos químicos. Neste contexto, a principal inovação desta escola foi a introdução de compostos químicos no tratamento de doenças, em contraposição à ideia dos galenistas de que apenas forças ocultas, aliadas às ervas medicinais, surtiriam efeito na cura dos males do corpo. A Iatroquímica foi o primeiro sistema a romper abertamente com o galenismo. Ela foi formulada na segunda metade do século XVII pelo holandês Franz de le Boe (Sylvius) e pelo inglês Thomas Willis, que se basearam numa interpretação química dos processos fisiológicos, patológicos e terapêuticos. Aproveitaram igualmente todos os avanços mais recentes no campo da Medicina, como a anatomia baseada na dissecção de cadáveres humanos e a doutrina da circulação do sangue de William Harvey. Fonte: http://proquimica.iqm.unicamp.br/iatroquimica.htm

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Aumento

de m a ssa po r i nco r po r aç ão de r e ag e ntes

Para início de conversa, vamos pensar em um prego. Quando o prego é novo apresenta brilho metálico mas, depois de muito tempo exposto ao ar atmosférico, o que acontece com ele? Várias substâncias conhecidas, como a palha de aço (utilizada para lavar louças e utensílios de ferro em geral), reagem com o oxigênio presente no ar e sofrem uma reação de oxidação, o que torna sua superfície enferrujada. Quando isso acontece o oxigênio se incorpora ao ferro, aumentando consequentemente a massa do objeto. Outra forma de averiguar esse aumento de massa pode ser realizada a partir da combustão de um pedaço de palha de aço, basta pesá-la antes e depois do término da reação. Porém, se pesássemos a quantidade de oxigênio antes e depois da reação a balança indicaria perda, ganho ou a massa seria igual ao término da reação?

R e ações

q u í m i ca s e m s i s t e m a f e cha d o

“Seu queimador era constituído de enormes lentes de aumento, que focalizavam e concentravam os raios solares”.

O segredo para que em uma reação química a massa dos reagentes seja a mesma que a do produto é ter todas as variáveis controladas. Toda reação química realizada em ambiente fechado não apresentará aumento nem diminuição da massa. Quem enunciou o princípio da conservação da massa foi Antoine Laurent Lavoisier. Mas como esse notável cientista conseguiu realizar tal feito? Vejamos a seguir parte dos experimentos realizados por Lavoisier. Preste muita atenção, pois a descrição abaixo responde a todas as perguntas realizadas acima sobre aumento ou perda de massa... • Lavoisier construiu um queimador, instrumento que reuniu muita criatividade e engenhosidade; • Colocou no queimador um recipiente fechado contendo um pedaço de estanho. O estanho inicialmente fundiu e depois se oxidou. Lavoisier pesou o ar e o estanho que havia dentro do recipiente; quando terminou a experiência, tornou a pesar o óxido formado e o restante do ar e, assim, pôde certificar-se que a massa de ar consumido era igual à massa que o estanho ganhou quando formou o óxido. As evidências de massa mais o fato de que, exceto a luz solar, era impossível que algo pudesse entrar no recipiente, sustentaram sua hipótese. Como se poderia negar que a combinação do metal com a parte combustível do ar formava o óxido? • Lavoisier queimou também um pedaço de carvão (carbono) em um sistema fechado. A pedra se transformou numa pequena pitada de cinzas, fato que induziria a se pensar na decomposição do carvão. Mas a balança mostrou que o ar contido no recipiente após a combustão era mais pesado, exatamente

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com a mesma massa que o carvão perdeu. Esses dados levaram Lavoisier a concluir que o carbono (carvão) não havia desaparecido ao sofrer queima, mas sim combinado com o ar e formado uma nova substância gasosa, que chamou de ácido carbônico. FONTE: MAZALLA JÚNIOR, Wilson. Introdução à Química. 3ª ed. Campinas, SP: Editora Átomo, 2006.

Depois da leitura atenciosa de parte da descrição dos experimentos de Lavoisier, podemos analisar alguns obstáculos epistemológicos para a compreensão das leis das reações químicas. Quando Lavoisier descreveu e interpretou seus experimentos, sofreu uma sólida oposição da comunidade científica. Vejamos abaixo parte dos escritos do questionamento sofrido por Lavoisier, também retirado da obra de Wilson Mazalla Júnior (2006), citada acima: • Como! O senhor quer dizer que quando um material queima, esse material não se destrói, isto é, não se decompõe em seus constituintes, mas, pelo contrário, une-se ao ar combustível? • Sim, é exatamente o que quero dizer. • Então, de acordo com sua teoria, diga-nos, por favor, o que aconteceu ao flogisto durante a combustão? • Eu não conheço nenhum flogisto, replicou Lavoisier, nunca vi tal flogisto e minhas balanças nada me disseram a respeito. Se eu pego uma substância como o estanho, coloco-a em um recipiente fechado, contendo exclusivamente a substância e o ar, após a transformação, eu tenho uma nova substância, cuja massa corresponde à massa de ar combustível consumido. Assim, creio que seja perda de tempo pensar no tal flogisto. Tudo isso é tão certo como dois mais dois são quatro, contestou Lavoisier.

Azoto, que em grego significa “sem vida”.

Lavoisier foi fortemente contestado pela comunidade científica, ao ponto de dizerem que suas balanças mentiam, mas depois de muitos químicos tentarem conciliar a descoberta de Lavoisier com a teoria do flogisto e não obterem êxito, suas ideias foram aceitas e seu trabalho devidamente reconhecido. Com os experimentos de Lavoisier – como a experiência da combustão do fósforo, que era tido como composto e passou a ser considerado elemento, – esse notável cientista contribuiu para identificação de elementos e compostos. O carbono passou a ser conhecido como elemento e o ácido carbônico como composto, a água passou a ser conhecida como composto formado por elementos (por muito tempo o ar e a água foram considerados pelos filósofos naturais como elementos). Lavoisier definiu o ar como composto e o separou em ar combustível (o oxigênio), também chamado por ele de produtor de ácidos e o ar inútil, chamado de azoto (atualmente conhecido como nitrogênio).

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Lavoisier concluiu que a água era formada de oxigênio e um elemento mais leve chamado por ele de hidrogênio. Por fim, esse grande cientista listou 33 elementos. Os estudos sobre a composição da atmosfera revolucionaram o estudo da Química, bem como o princípio da conservação da massa. Esse princípio já estava presente nos trabalhos de Joseph Black (1728-1799) e Henry Cavendish (1731-1810), sendo explicitamente estabelecido por Lavoisier em sua obra Traité Élémentaire de Chimie, publicado em 1789: Por que nada se cria, nem nas operações da arte nem nas da natureza e pode-se estabelecer, em princípio, que, em toda operação há uma quantidade igual de matéria antes e depois da operação... FONTE: NEVES, Luiz Seixas das; FARIAS, Robson Fernandes de. História da Química: um livro texto para graduação. Campinas, SP: Editora Átomo, 2008.

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Leis Po n der ais das C o m b i n a ç õ e s Q u í m i ca s Lei

A

d a c o n s e r va ç ã o d a s m a s s a s

pós explicação das reações de combustão, Lavoisier estabeleceu em 1774 a lei da conservação das massas. Além disso, também mostrou a composição da água, do ar e de vários óxidos, sendo hoje considerado por muitos o pai da Química.

C o m o L av o i s i e r

d e f i n i u e s s a l e i?

Para Lavoisier, em uma transformação química ou como mencionamos hoje, reação química, a massa das substâncias que compõe os reagentes é igual à massa dos produtos. Essa conclusão foi feita após os experimentos já citados, em ambiente fechado. Um dado histórico relevante ao nosso estudo é o fato de que Lavoisier não foi o primeiro a verificar a conservação de massas em uma reação química realizada em ambiente fechado. Em 1756 o cientista Mikhail Vasievich Lomnosov escreveu sobre a conservação das massas, mas sua obra só foi publicada em 1904.

Lei

d a s p r o p o r ç õ e s c o n s ta n t e s o u

Lei

de

Proust

Graças ao avanço produzido pela teoria de conservação das massas e também aos cálculos de rendimento em uma reação química, outras teorias e leis foram surgindo para explicar os fenômenos químicos. Em 1797, Joseph Louis Proust verificou que em uma reação química os elementos químicos participam em uma proporção constante de massa. Essa proporção é característica de cada reação, isto é, independe da quantidade de reagentes utilizados e de sua procedência. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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Veja os resultados do experimento realizado por Proust: Massa de Hidrogênio Massa de Oxigênio Massa de Água 02g 16g 18g 0,1g 0,8g 0,9g 0,5g 4,0g 4,5g

1º Experimento 2º Experimento 3º Experimento

Joseph Louis Prost (1754 – 1826)

Podemos constatar que independentemente das massas serem diferentes, existe uma proporcionalidade, a qual Proust defendia. Observe que, para a reação de formação da água, a massa do produto é igual à soma das massas dos reagentes. As massas dos reagentes e dos produtos que participam de uma reação podem ser diferentes, mas as relações entre elas são sempre constantes. As leis ponderais estabelecem essa proporcionalidade existente entre a massa dos reagentes e produtos. No exemplo da reação de formação da água podemos calcular a relação existente entre os elementos partipantes da reação. Basta divir a massa do elemento pela massa do elemento que possui menor peso. No caso da reação da água, o elemento de menor massa é o Hidrogênio. Assim, vamos utilizar o primeiro e o segundo experimentos para calcular a relação existente entre eles e comprovar a lei de Proust.

C o m p r o va n d o

a

Lei

de

P r o u s t. . .

1. 2 g de Hidrogênio / 2 g de Hidrogênio. 16 g de Oxigênio / 2 g de Hidrogênio. A relação existente entre o hidrogênio e o oxigênio é respectivamente 1:8 2. 0,5 g de Hidrogênio / 0,5 g de Hidrogênio. 4,0 g de Oxigênio / 0,5 g de Hidrogênio A relação existente entre o hidrogênio e o oxigênio é respectivamente 1:8 Essa lei foi, mais tarde, a base para a teoria atômica de Dalton. A lei de Proust permitiu a determinação da composição centesimal de um elemento participante de uma reação química. A composição centesimal de um elemento está relacionada com 100 g do composto formado após a reação. Voltamos ao exemplo da água, em que 1 g de hidrogênio reage com 8 g de oxigênio para formar 9 g de água; Logo, a massa de oxigênio e hidrogênio presentes em 100 g de água é, respectivamente... 9 g água ---- 8 g oxigênio 100 g ---- x X = 88,88 g de oxigênio

9 g água ---- 1 g de hidrogênio 100 g ---x X = 11,11 g de hidrogênio

Após realizar os cálculos, podemos determinar que em 100 g de água, 88,88 g é de oxigênio e 11,11 g de hidrogênio, o que equivale dizer que a água possui em sua composição, independente da massa dos reagentes, 88,88% de oxigênio e 11,11% de hidrogênio. Sendo assim, a fórmula centesimal da água é: 88,88% de O e 11,11% de H. 22  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

Lei das proporções múltiplas ou lei de Dalton Para Dalton, grante parte dos elementos é capaz de se combinar ou como habitualmente falamos hoje, “reagir” em proporções de massa. A lei das proporções múltiplas é uma das leis fundamentais da estequiometria, descoberta em 1803 pelo químico inglês John Dalton. A lei é baseada na lei das proporções definidas e diz que quando elementos químicos se combinam, fazem-no numa razão de pequenos números inteiros. Por exemplo, o carbono e o oxigênio reagem para formar monóxido de carbono (CO) ou dióxido de carbono (CO2), mas não CO1.3. A lei das proporções múltiplas diz ainda que se dois elementos químicos formam mais de um composto químico entre eles, as razões das massas do segundo elemento para uma massa fixa do primeiro elemento também são pequenos números inteiros.

FONTE: http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_das_propor%

Por exemplo, são conhecidos dois elementos formados por hidrogênio e oxigênio: a água comum e a água oxigenada. A água é constituída de 88,88% de oxigênio e 11,11% de hidrogênio, já a água oxigenada é constituida de 94,12% de oxigênio e 5,88% de hidrogênio. Dalton cncluiu que, quando dois elementos combinam para formar mais de um composto, se fizermos a massa de um desses elementos constantes à massa do outro elemento, ocorrerá uma variação numa proporção de números inteiros e simples.

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D a lt o n

e a

Co ncepç ão

de

4

Át o m o

A

concepção de que a matéria é constituída de átomos foi retomada no século XVII por Boyle e Lémery que utilizaram, especialmente, os escritos de Gassendi (1592-1655) em seus estudos. Porém, Robert Boyle intitulava-se um corpusculista, nunca um atomista. Uma das características fundamentais da filosofia mecânica 2 era a ideia de que os corpos eram constituídos por átomos ou corpúsculos invisivelmente pequenos. Uma das principais fontes da formação dos novos sistemas de filosofia mecânica foi o ressurgimento das filosofias antigas de Demócrito e, mais especificamente, de Epicuro. Pierre Gassendi se fundamentava na tentativa de reconstruir a filosofia natural de Epicuro. No entanto, nem todos os mecanicistas acreditavam na existência de átomos necessariamente indivisíveis. John Dalton (1766-1844) foi o responsável pela aplicação bem sucedida das ideias atomistas aos sistemas químicos, conseguindo racionalizar grande parte dos conhecimentos então existentes.

Sugestão de Leitura: A revolução Científica e as origens da Ciência ____________________ 2 O surgimento da filosofia mecânica substituíra efetivamente o aristotelismo escolástico como a nova chave para compreensão de todos os aspectos do mundo físico, da propagação da luz à geração dos animais, da pneumática à respiração, da química à astronomia. A Essa filosofia marca uma ruptura categórica com o passado e sela a revolução científica. A filosofia mecânica cCaracterizava-se por um conjunto limitado de princípios explanatórios. Todos os fenômenos deviam ser explicados a partir de conceitos empregados na disciplina matemática da mecânica: forma, tamanho e quantidade. Fonte: HENRY, John. A revolução Científica e as origens da Ciência moderna. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Ed., 1998].

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V o c ê s a b e o q u e é D a lt o n i s m o ?

John Dalton (1766-1844). Cientista inglês, propôs

em sua teoria atômica que a matéria é constituída de átomos – palavra grega que significa indivisível.

Daltonismo é o distúrbio da vista que ocasiona a incapacidade de perceber certas cores, especialmente o vermelho, e foi batizado assim em homenagem a John Dalton. O mesmo tinha o desejo que seus olhos fossem preservados e assim foi feito. Em torno de 150 anos após sua morte, um exame de DNA pôde constatar que Dalton não possuía os genes responsáveis pela produção de pigmento que permite a visualização da cor vermelha. Dalton fez mais que redescobrir as teorias atomistas dos filósofos gregos como Demócrito e Leucipo, ele fez proposições que podem ser aplicadas aos sistemas químicos, possibilitando o entendimento sobre o balanceamento estequiométrico das reações químicas. Em 1808, Dalton publicou sua teoria atômica da matéria. O modelo de Dalton se baseava nas seguintes hipóteses: 1. A matéria é constituída de átomos, que são partículas indivisíveis e indestrutíveis, as quais preservam sua individualidade em todas as reações químicas; 2. Todos os átomos de um elemento químico são idênticos em massa e propriedades. Os átomos de diferentes elementos químicos são diferentes em massa e em propriedades. Cada elemento é caracterizado pelo seu peso atômico; 3. As substâncias são formadas pela combinação de diferentes átomos na razão de números pequenos, ou seja, em razões numéricas simples; 4. As reações químicas envolvem somente combinação, separação e rearranjo dos átomos, não havendo criação ou destruição de átomos. O modelo atômico de Dalton apresentava uma falha. Dalton acreditava que os elementos fossem formados de átomos individuais, separados. Graças aos avanços tecnológicos, hoje sabemos que isso não é verdade. Na época em que Dalton concluiu essa teoria o mesmo ainda não tinha conhecimento dos gases nobres, os quais se comportam da forma como Dalton descrevia todos os elementos. Rayleigh e Ramsay descobriram, após a teoria atômica de Dalton, os gases nobres. Esses elementos se apresentam como gases monoatômicos. Grande parte dos elementos é formada pela união de átomos iguais entre si, o que Avogadro chamou de moléculas diatômicas. Hoje sabemos que grande parte dos gases são moléculas diatômicas como: O2(g), H2(g), N2(g), Cl 2(g).

A

c o n c e p ç ã o at o m i s ta d e

D a lt o n

Uma cuidadosa análise da ordem em que os estudos de Dalton foram publicados permite afirmar que ele elaborou sua teoria atômica, especulando sobre as propriedades físicas dos gases (lembra-se da lei de Dalton?), executando, então, experimentos sobre proporções múltiplas, numa tentativa de confirmar suas hipóteses. A crença inversa, sustentada por vários historiadores da ciência, de que os experimentos é que teriam levado John a elaborar sua teoria – que inicialmente fora empregada para explicar o comportamento físico dos gases

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– foi utilizada para explicar as reações químicas. Vale a pena ressaltar que as ideias de Dalton sobre o comportamento físico dos átomos jamais teve tiveram grande repercussão. Contudo, as consequências químicas mudariam os rumos da ciência qQuímica de forma profunda e definitiva. O atomismo de Dalton foi bem mais do que uma redescoberta ou uma espécie de plágio das ideias dos antigos pensadores gregos. O atomismo grego era de natureza apenas intelectual, especulativa, enquanto que o atomismo de Dalton nasceu já revestido de um aspecto quantitativo e prático, verdadeiro modelo científico, capaz de racionalizar várias das informações conhecidas sobre as reações químicas. Dalton fez uma espécie de síntese entre o atomismo filosófico de Demócrito e Leucipo com o aspecto quantitativo das reações químicas, enfatizado por Lavoisier. Fonte: Para Gostar de ler a História da Química, vol.2. (FARIAS, 2004)

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Leis

dos

5

Gases

N

a busca pela compreensão do comportamento dos gases, permitiu-se estabelecer leis sobre suas propriedades que serão descritas a seguir. Mas para início de conversa, quais são as grandezas que caracterizam o estado gasoso? As três grandezas que caracterizam os gases são: Pressão, Volume e Temperatura. Essas três grandezas são interdependentes e definem determinada situação do gás, sendo chamadas de variáveis de estado. • Pressão de um gás: Os átomos no estado gasoso estão em constante movimento desordenado, por isso ocorrem colisões entre eles e as paredes internas do recipiente que mantém o gás armazenado. Desses choques surge a pressão que varia de acordo com o número de partículas constituintes da matéria. A pressão expressa a força exercida sobre um corpo por unidade de área. Fisicamente, a pressão (P) é definida pela relação entre as grandezas força (F) e área (A), sendo expressa pela equação: As unidades de pressão mais usadas bem como suas equivalências são: 1 atm = 760mmHg = 76 cmHg = 760 torr = 1,013 . 10 Pa 1 L = 1dm3 =1000 cm3 = 1000 mL = 0,001 m3 • Volume de um gás: O volume de uma amostra gasosa é igual ao volume do recipiente que a contém. O volume é uma grandeza que mede o espaço ocupado por um determinado corpo. Para calcular o volume de objetos regulares, como um cubo ou cilindro, basta saber a área (A) e a altura (h) do recipiente, utilizando as seguintes fórmulas: ; As unidades de volume mais usadas, bem como suas equivalências, são: 1 L = 1 dm3 =1000 cm3 = 1000 mL = 0,001 m3 UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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• Temperatura de um gás: A está relacionada com o grau de agitação das partículas. As unidades de medida que a caracterizam são: kelvin (SI) [K], grau Celsius [ºC], grau Fahrenheit [F]. Como no Brasil a escala comumente utilizada é a Celsius, devemos fazer a relação das unidades com o sistema internacional. Para passar a temperatura de Celsius para kelvin: T/K = (t/°C) + 273,15 Para passar a temperatura de Fahrenheit : T/K = [°F - 32] x 5/9

Va m o s P e n s a r

Suponha que você queira calcular o volume de um objeto irregular como, por exemplo, uma pedra. O que você faria para calcular este volume? Que tal utilizar uma proveta que tenha o tamanho que possibilite mergulhar a pedra que você deseja saber o volume? Coloque uma quantia de água e marque o volume inicial, por exemplo, 100 mL. Logo após, mergulhe a pedra e marque o volume final. A diferença entre os volumes se refere ao volume da pedra. Você pode realizar esse experimento com seus alunos, utilizando qualquer compartimento que apresente as medidas de volume. Com o auxílio de uma balança para medir a massa e com a medida do volume pode-se calcular a densidade. Essa seria uma ótima experiência para ser realizada com os alunos do ensino médio, para explicar a densidade e o volume dos objetos. O físico e matemático italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) sugeriu que a atmosfera, sendo constituída por gases em constante movimento, é capaz de exercer pressão sobre a superfície terrestre. Para medir essa pressão, Torricelli inventou, em 1644, um instrumento hoje muito utilizado, o barômetro. Para saber mais sobre o experimento realizado por Torricelli acesse o site: http://pt.wikipedia.org/wiki/Barómetro

Transformações Isotérmicas entre o volume e a pressão dos gases a uma temperatura constante O físico e químico irlandês Robert Boyle foi responsável por dar início aos estudos sobre a relação entre o volume de um gás e sua pressão. Experimentos realizados com amostras sólidas, líquidas e gasosas de uma mesma substância mostram que o volume da substância no estado gasoso sofre variações significativas para diferentes valores de temperatura e pressão, o que não ocorre com o volume da substância nos outros estados. Isso pode ser facilmente percebido na figura 2, que mostra os três estados de agregação da matéria por partículas. 30  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

a

b b

Figura 2 – Os três estados de agregação das partículas da água.

A imagem (A) mostra o estado gasoso. Observe que as partículas possuem mais espaço e liberdade para se mover e colidir contra as paredes e entre elas mesmas. Por esse motivo, seu volume pode ser alterado em função da pressão e da temperatura com mais facilidade que a amostra (B), que se refere ao estado líquido, onde as partículas estão muito próximas, mas ainda assim desorganizadas e a amostra (C), referente ao estado sólido, onde os constituintes estão próximos e organizados. Boyle, além de observar que quando se aumentava a pressão de um gás havia diminuição no volume ocupado pelo mesmo, constatou que o produto entre pressão e volume é aproximadamente constante, concluindo depois que todas as substâncias gasosas apresentam essa regularidade, que ficou conhecida como Lei de Boyle. Mas para entendermos como Boyle percebeu essa regularidade, vamos analisar o seguinte esquema: Robert Boyle (1627 – 1691) Analisando os êmbolos, percebemos que no êmbolo número 1 a pressão é menor e, consequentemente, o volume ocupado é maior, À medida que a pressão exercida sobre o gás aumenta, o volume reage de forma inversa, ou seja, diminui. Nesse sentido, a lei de Boyle pode ser expressa da seguinte forma: “O volume de uma quantidade de gás, a temperatura constante, é inversamente proporcional a uma pressão exercida sobre ele”. Após o estudo de diversos gases, Boyle concluiu matematicamente a variação do

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volume em função da pressão: P1.V1 = P2.V2 = k Sendo que P1 e V1 são a pressão e volume iniciais, P2 e V2 são a pressão e volume finais, e k é um valor constante, nesse caso referente à temperatura do gás.

Transformação isobárica: relação entre temperatura e volume do gás a uma pressão constante

Jacques Alexandre César Charles

Joseph Louis Gay-Lussac

Como já dito anteriormente, a temperatura está relacionada com o grau de agitação das partículas. Consequentemente, em uma substância gasosa, o aumento da temperatura leva à expansibilidade do gás, ou seja, a energia cinética das partículas é diretamente proporcional à temperatura do gás. Sendo assim, quanto maior a temperatura, maior será a agitação das partículas. Logo, o volume tende a aumentar, se a pressão estiver constante. Essa importante propriedade dos gases “a expansibilidade” foi estudada em 1787 pelo cientista francês Jacques Alexandre Cézar Charles. Os estudos de Charles complementaram os estudos do físico e químico francês Joseph Louis Gay-Lussac, o qual pode estabelecer uma lei física, que relaciona temperatura e volume do gás, que em homenagem aos dois cientistas ficou popularmente conhecida como Lei de Charles e Gay-Lussac. Em alguns livros, as duas leis são tratadas apenas como lei de Charles. Essa lei pode ser enunciada da seguinte forma: “Mantendo-se a pressão constante, o volume ocupado por um gás varia na mesma proporção que a temperatura”. Gay-Lussac também estudou a combinação dos gases, escrevendo leis volumétricas que regem essas combinações, as quais serão expressas mais adiante. Gay-Lussac estava interessado em balões mais leves que o ar e, em 1804, fez com que um deles subisse até uma altura aproximada de 7.000 m. Essa façanha manteve o recorde de altitudes por décadas. A lei de Charles e Gay-Lussac pode ser expressa matematicamente da seguinte forma: V1/T1 = V2/T2 = K Em que V1 e T1 são o volume e temperatura iniciais e V2 e T2 são volume e temperatura finais; e k um valor constante. É importante ressaltar que a lei demonstra que o aumento da temperatura aumenta a energia cinética das partículas no estado gasoso e, em consequência disso, passam a ocupar mais espaço.

Transformação Isocórica: relação entre temperatura e pressão do gás a um volume constante A pressão do gás é originada a partir das colisões das partículas contra a parede

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do recipiente, no qual estão contidas, e do choque entre as mesmas. A temperatura, como já vimos, aumenta a energia cinética das moléculas, logo aumenta os choques entre as mesmas, ocasionando aumento de pressão, desde que o volume do recipiente se mantenha constante. Os estudos realizados por Charles e Gay-Lussac levaram a essa conclusão. Assim, ficou conhecida como a segunda lei de Charles e Gay-Lussac, que pode ser definida da seguinte forma: “A pressão exercida por uma massa gasosa, com volume constante, é diretamente proporcional à sua temperatura termodinâmica”. A segunda lei de Charles e Gay-Lussac pode ser expressa matematicamente da seguinte forma: P1/T1 = P2/T2 = K Em que P1 e T1 são pressão e temperatura iniciais e P2 e T2 são pressão e temperatura finais; e k um valor constante. Q u e s t õ e s pa r a R e f l e x ã o . . . • Como funciona a panela de pressão? • Por que se gasta menos tempo para cozinhar nesse tipo de panela? • Por que alguns motoristas batem com um martelo de borracha nos pneus? Pa r a

aprofundar o estudo sobre os gases, temos algumas sugestões de

leitura:

• ATKINS, Peter [et al.] Físico-química, v.1; 8.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008; • BROWN, Theodore [et al.]. Química a ciência central. 9.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

L e i s V o l u m ét r i ca s

das

C o m b i n a ç õ e s Q u í m i ca s

Em 1808 Gay-Lussac estabeleceu as leis volumétricas que explicam as combinações químicas das substâncias no estado gasoso. Após estudar algumas transformações, Gay-Lussac pôde constatar algumas combinações de gases como: • Hidrogênio se combina com cloro, formando cloreto de hidrogênio, na proporção de um volume de hidrogênio para um volume de cloro; • Hidrogênio se combina com oxigênio, formando água, na proporção de dois volumes de hidrogênio para um volume de oxigênio; Resultando na primeira lei volumétrica, que pode ser enunciada da seguinte forma: “Quando dois gases se combinam, os seus volumes estão entre si em uma proporção de números inteiros e simples”. Estudando a formação dos óxidos de nitrogênio, o monóxido de nitrogênio e o dióxido de nitrogênio, Gay-Lussac pôde verificar que:

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• Nitrogênio e oxigênio se combinam para formar monóxido de dinitrogênio, na proporção de quatro volumes de nitrogênio para dois volumes de oxigênio; • Na formação do monóxido de nitrogênio a proporção era de 2:2; • Na obtenção do dióxido, a proporção foi de dois volumes de nitrogênio para quatro volumes de oxigênio. Resultando na segunda lei volumétrica, que pode ser enunciada da seguinte forma: “Quando dois gases se combinam, formando mais de um composto, se fizermos constante o volume de um deles, o volume do outro variará em uma proporção de números inteiros e simples”. Gay-Lussac pôde verificar ainda que as reações entre gases podem ocorrer com contração ou expansão volumétrica. • Um volume de hidrogênio se combina com um volume de cloro para formar dois volumes de cloreto de hidrogênio; • Dois volumes de hidrogênio se combinam com um volume de oxigênio para formar dois volumes de vapor de água; • Três volumes de hidrogênio se combinam com um volume de nitrogênio, para formar dois volumes de amônia. Resultando na terceira lei volumétrica, que pode ser enunciada da seguinte forma: “Quando dois gases se combinam para formar um composto gasoso, há uma relação de números inteiros e simples entre o volume dos gases reagentes e o volume do composto gasoso formado”. FONTE: MAZALLA JÚNIOR, Wilson. Introdução à Química. 3º ed. Campinas, SP: Editora Átomo, 2006.

O

princípio de

Avo g ad r o

O químico e físico italiano Amadeo Avogadro interpretou as observações de Gay-Lussac e fez outra importante descoberta para o estudo dos gases, por meio da seguinte hipótese: “Volumes iguais de gases diferentes, medidos nas mesmas condições de temperatura e pressão, contem o mesmo número de moléculas”.

Volume Pressão Temperatura Massa do Gás Número de moléculas do gás

He

N2

CH4

22,4 L 1atm 0ºC 4,00 g 6,02 x 1023

22,4 L 1atm 0ºC 28,0 g 6,02 x 1023

22,4 L 1atm 0ºC 16,0 g 6,02 x 1023

A tabela acima é uma comparação, ilustrando a hipótese de Avogadro. Observe 34  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

que as massas são diferentes, visto que uma molécula tem massa diferente da outra. Portanto, a massa dos gases nos três recipientes é diferente. O compartimento do Hélio consiste em átomos de hélio. Com base em seus estudos, Avogadro percebeu que a constante k, expressa nas leis de Boyle, Charles e Gay-Lussac, está relacionada à matéria, que pode ser representada pelo número de moles (n), e se refere a uma grandeza que nos permite calcular quantas moléculas existem em certa massa da substância. Considerando todas as leis descritas acima, as mesmas podem ser combinadas em uma única expressão: pV = constante x nT Esta expressão é consistente com a lei de Boyle (pV = constante), quando n e T são constantes; com as duas formas da lei de Charles e Gay-Lussac (p µ T, e V µ T), quando n e V ou n e p são constantes; e também com o princípio de Avogadro (V µ n), quando p e T são constantes. A constante de proporcionalidade, cujo valor experimental determinado é o mesmo para todos os gases, é simbolizada por R e é chamada de constante dos gases perfeitos (ou simplesmente constante dos gases). Com essa notação, a expressão anterior fica: pV = nRT Essa equação é a equação geral dos gases e é fundamental para o estudo dos gases e para a Química, pois permite analisar e prever vários comportamentos dos gases. Porém, essas previsões devem ser analisadas, levando em conta algumas condições. Por esse motivo, essa equação também é conhecida como “equação dos gases perfeitos” ou “equação do gás ideal”. Os gases que não se comportam – ou melhor, não obedecem à lei dos gases perfeitos – são chamados de gases reais. Os gases reais exibem desvios em relação à lei dos gases perfeitos em virtude das interações moleculares. As forças repulsivas entre as moléculas contribuem para expansão e as forças atrativas para compressão. A partir da análise da equação dos gases perfeitos, várias outras relações matemáticas foram desenvolvidas. Uma deles confere ao estudo da termodinâmica, que está intimamente relacionada à energia cinética das moléculas.

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A

6

c o n c e p ç ã o e d e s c o b e r ta d o s

elem e ntos quí m i cos

A

história da concepção de elemento químico cobriu mais de dois milênios é uma “filosofia e começa com a teoria atômica dos gregos, onde se sustentou a existên- Taoismo de vida” fundada por Lao cia de quatro elementos fundamentais: ar, água, terra e fogo (Elementos Aristo- Tsé no século VI a.C. Esta busca o equilítélicos). Isso ocorreu quase ao mesmo tempo em que na Grécia se desenvolveu a filosofia brio mediante os opostos alquimia chinesa, que relacionada ao Taoismo, acreditava na existência de cinco Yin (feminino e passivo) e (masculino e ativo), elementos: a água, a terra, o fogo, a madeira e o metal. Na Idade Média, os Yang considerados princípios alquimistas substituíram os quatro elementos pela “Tria Prima” [considerava-se vitais (Mello, 1996). que os metais eram compostos, formados por “qualidades-princípios”, metálico-combustibilidade-volatilidade] (Mello, 1996). A partir do século XVII, criou-se na Europa um novo estilo intelectual, e o irlandês Robert Boyle (1627 - 1691) foi o primeiro cientista que rompeu abertamente com a tradição alquimista. Em sua obra “O químico cético” (The sceptical chymist), segundo Menschutkin (1937, p.59 apud Mello, 1996), estabelece o seguinte conceito para elemento químico: “certos corpos primitivos e simples que não estão formados de outros corpos e que são os ingredientes de que se compõem imediatamente e em que se resulta em último término, todos os corpos perfeitamente mistos”. Boyle supõe que o número de elementos é superior ao dos quatro elementos aristotélicos ou da “Tria Prima” dos alquimistas. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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Apesar de ter sido retificado posteriormente, o conceito de Boyle proporcionou uma impulsão no desenvolvimento da química, que no século XVII era uma mistura de ciência e misticismo. Contudo, os elementos aristotélicos continuaram aceitos por muitos, até a segunda metade do século XVIII. A ideia das substâncias elementares foi derrubada por Lavoisier, que introduziu no lugar dos quatro elementos os “corpos simples” ou “corpos indecompostos” (Menschtkin, 1937, p. 59 apud Mello, 2009). Entre 1787 a 1789, Lavoisier deu várias definições para elemento químico, empregando o nome de “ base” (ou “princípio”). É importante ressaltar que somente a partir do primeiro Congresso Internacional de Química, em 1860, os químicos Mendeleev e Meyer fizeram distinção entre “substância simples” e “princípio”, sendo este último o escolhido para então designar elemento químico. Assim, a tabela periódica que foi organizada por Mendeleev e Meyer constituir-se-ia em um sistema de princípios e não de substâncias simples. O esclarecimento desta questão muito contribuiu para a elaboração da tabela periódica. Uma propriedade dos elementos, que teve importância ímpar para a construção da tabela foi o peso atômico. As tentativas de classificações periódicas começaram a apresentar resultados significativos após o esclarecimento deste conceito, uma vez que para a época era a propriedade comum mais evidente. Saiba Mais Na revista Química Nova 17(02), 1.994. p.182-187, há um artigo muito importante sobre a evolução do conceito de peso atômico. Assim como o desenvolvimento dos conceitos de elemento químico e peso atômico influenciaram o andamento da elaboração da tabela periódica, a descoberta dos elementos químicos também teve participação neste contexto. Não teria sido possível organizar os elementos, periodicamente, sem conhecer um número razoável de elementos. Alguns elementos são conhecidos desde a antiguidade, entretanto, somente no século XVII as descobertas dos elementos passaram a ser registradas (aliás, todas as descobertas químicas). Sendo assim, Henning Brand (1669) é considerado o primeiro homem a descobrir um elemento químico, o fósforo. No século das Luzes (século XVIII), houve um progresso no número de elementos descobertos em relação aos séculos passados. Muito provavelmente este avanço foi proporcionado pelas novas concepções de mundo, ou seja, o homem adquire uma maior autonomia sobre o conhecimento e, principalmente, por ser o século de Lavoisier, que reformulou o conceito de elemento químico e abriu definitivamente as portas para o desenvolvimento deste conhecimento. Neste século, importantes metais foram descobertos. Você estudará que o século XIX foi para a ciência o período de grandes conquistas e consolidações. Nele, deu-se a descoberta de um grande número de elementos, mais do que no século XX, possivelmente como consequência da teoria atômica de Dalton e da determinação dos pesos atômicos, assim como da descoberta da espectroscopia. Dos elementos químicos criados pelo homem, a maioria surgiu de dentro de potentes acele38  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

radores, como os cíclotrons. Outros, como o Einstênio e o Férmio, foram identificados em explosões de bombas atômicas, em testes realizados no Oceano Pacífico. A descoberta dos elementos no decorrer da história da humanidade conduziu espontaneamente a uma necessidade de ordenar e, por se irritarem com a falta de organização dos elementos, muitos homens se dedicaram à procura de uma sistematização para estes elementos (Mello, 1996). A representação gráfica atual dos elementos químicos, utilizados na tabela periódica, possui muita coerência, mas nem sempre foi assim, pois precisaram vários séculos para que se chegasse a uma definição. Na alquimia, os símbolos dos elementos apresentavam relação com ideias místicas, obscuras e com uma variedade grande de sinais para representar o mesmo elemento ou substância. Estas relações com a natureza guiaram a elaboração de sinais para os elementos químicos conhecidos na época. A química herdou da alquimia a simbologia, porém recebeu influência da física e estabeleceu outra relação com a natureza, isto é, esta passou a ser um simples objeto de estudo e não mais um ser vivo, ao contrário da alquimia que estabeleceu uma relação totalmente animista, onde as concepções de mundo estavam elaboradas sob ideias místicas e supersticiosas. Os símbolos usados para designar certas substâncias eram alegóricos e carregados de ideias espirituais. Com o aparecimento da teoria atômica, Dalton obtém as primeiras fórmulas químicas, com uma notação própria em que cada átomo é representado por círculos com diferentes símbolos e significando diferentes pesos atômicos (Ferreira, 1987, p. 204, apud Mello, 1996). Em 1814, Berzelius substitui os símbolos de Dalton pelas iniciais dos nomes latinos dos elementos (se necessário com mais outra letra minúscula desse nome). É o sistema que conhecemos hoje, são os símbolos químicos. Berzelius tomou os símbolos dos elementos químicos de seus nomes latinos para poder criar uma notação química de compreensão universal (Rheinboldt, 1988, p.120 apud Mello, 1996). Após o sistema de notação química de Berzelius, a simbologia química avança rapidamente e os trabalhos de cientistas como Kekulé, Woehler, Dumas e Frankland, dentre outros, desenvolveram a notação gráfica. Assim, fica evidenciada a importância do trabalho de Berzelius e, também, que uma das suas qualidades mais típicas, segundo H. Rheinbold (Mello, 1996), é o seu talento de organização sistemática. Contudo, a questão da organização de Berzelius e de outros cientistas pode ser vista, também, como uma necessidade, pois segundo Alves (1981, p.37 apud Mello, 1996), “se não necessitássemos de ordem para sobreviver não a procuraríamos. E é somente porque a procuramos que a encontramos”. A necessidade de organização ou de busca pela ordem fez com que houvesse uma grande contribuição para o avanço da ciência, com os dois trabalhos sistemáticos de Berzelius até hoje utilizados: sistema mineralógico e o sistema de notação química. É tal a importância desses dois sistemas e das descobertas de elementos por Berzelius para a construção do conhecimento da tabela periódica, que podemos afirmar que Berzelius é o antecessor essencial de Mendeleev e Meyer (Mello, 1996). No quadro abaixo se encontram agrupados alguns elementos químicos, segundo a época do seu descobrimento. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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Descobrimento de A lguns Elementos Químicos

O nome Hidrogênio originou-se dos termos grego ‘hydro’ e ‘genes’, que significa gerador de água.

Idade Antiga

Período da Alquimia

Século XVIII

Ouro Prata Cobre Ferro Chumbo Estanho Mercúrio Enxofre Carbono

Arsênio Fósforo Antimônio

Cobalto Platina Zinco Níquel Bismuto Magnésio Hidrogênio Cloro Oxigênio Molibdênio Telúrio Wolfranio Zircônio Urânio Estrôncio Titânio Ítrio Cromo Berílio

Século XIX Nióbio Tântalo Cério Irídio Ósmio Paládio Ródio Potássio Sódio Bário Boro Cálcio Iodo Cádmio Lítio Selênio Silício Bromo Alumínio Tório Vanádio Érbio Térbio Rutênio

Século XX

Césio Lutécio Rubídio Protactínio Tálio Háfnio Índio Rênio Hélio Tecnécio Gálio Frâncio Escândio Ástato Túlio Netúnio Gadolínio Plutônio Neodímio Amerício Praseodímio Califórnio Disprósio Einsteinio Germânio Férmio Argônio Mendelévio Európio Nobélio Kriptônio Neônio Polônio Rádio Xenônio Actínio Radônio

Como você pôde observar no quadro de descoberta dos elementos químicos, dois importantes gases foram descobertos no século XVIII: Hidrogênio e Oxigênio. O hidrogênio foi descoberto pelo cientista irlandês Robert Boyle em 1671, mas foi isolado, em 1776, pelo químico e físico inglês Henry Cavendish, que conhecia a existência de um gás produzido pela dissolução de fios de ferro em ácido sulfúrico, que ele chamou de “ar inflamável”. Foi Lavoisier que, em 1783, denominou esse tal “ar inflamável” de hidrogênio.

E quem descobriu o Oxigênio? Lavosier? A quem conceder o primeiro prêmio retroativo Nobel de Química? A Priestley, pastor inglês, defensor da teoria do flogístico (também designado flogisto), mas que, além da síntese do oxigênio, também produziu o gás hilariante, o monóxido de carbono, a água carbonatada e a borracha que apaga; ou a Carl Wilhelm 40  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

Scheele, modesto farmacêutico, que comprovadamente foi o primeiro descobridor do oxigênio, além de ter contribuído com a síntese de pelo menos cinco elementos químicos, incluindo o cloro e o manganês; ou a Antoine Lavoisier, que mesmo não tendo sido o primeiro descobridor do oxigênio, soube por toda sistemática científica, com o uso de balanças e de outros instrumentais da época, usar da descoberta do oxigênio e de outras substâncias para derrubar a teoria do flogístico, propondo um novo paradigma de compreensão química das teorias das reações químicas, pela combinação e recombinação das substâncias? Estas perguntas levaram à formulação de uma peça teatral, que desde novembro de 2001 se encontra em cartaz nos teatros de Londres. Esta peça sobre a descoberta do oxigênio de Carl Djerassi e Roald Hoffmann se desenrola em dois planos e em duas épocas. Por um lado, o Comitê Nobel, que supostamente decide quem deve passar para a história da Ciência, através do Nobel retroativo, por outro lado, três cientistas apaixonados por seu trabalho: Antoine Laurent Lavoisier, Joseph Priestley e Carl Wilhelm Scheele. Através de dois contextos distintos, desenrola-se a peça com diálogos elegantes, às vezes tensos e irônicos, mostrando sempre que a natureza do homem não muda no curto intervalo de alguns séculos. Ao longo da peça, os autores conseguem envolver a plateia a ponto de tomarem partidos. A comissão, depois de muita discussão, deseja eleger dois nomes para conceder o duplo Nobel retroativo. Quem foi? Para obter esta resposta leia o enigmático livro Oxigênio de Carl Djerassi e Roald Hoffmann, da editora Vieira & Lent casa editorial ltda.

Priestley

Scheele

Lavoisier

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E ta pa s

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G r ande Corte E p i s t e m o l ó g i c o d a C i ê n c i a Q u í m i ca e o a d v e n t o d a Q u í m i ca M o d e r n a do

V

eremos que não somente a Lavoisier se deve atribuir o advento da Química Moderna, mas também à todas as teorias e instrumentais que o mesmo dispunha para construção e comprovação de suas teses. Iniciaremos com o advento da Bomba de Vácuo, importante instrumento para o estudo dos gases.

As

b o m b a s d e vá c u o

Foi Galileu que, em 1638, em seus discursos, mostrou que, apesar de Aristóteles declarar que não podia haver algo como o vácuo, este podia ser gerado sem grandes dificuldades. Mais tarde, seus discípulos Torricelli e Otto Von Guericke, na Alemanha, estudaram a pressão atmosférica, criando vácuos na extremidade de tubos selados. Von Guericke, aprofundando mais ainda, projetou e construiu eficientes bombas de vácuo. Com elas, mostrou a força do vácuo numa famosa demonstração pública de seus “hemisférios de Magdeburg”: ele juntou dois hemisférios de cobre ocos, cujas bordas se ajustavam perfeitamente e em cujo interior se criou o vácuo através de uma máquina pneumática, demonstrando que até a força equivalente de duas parelhas de dois cavalos não era capaz de separá-las. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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Acima, Von Guericke, o modelo dos hemisférios de Magdeburg e o experimento de Guericke, submetendo os hemisférios unidos de cobre a uma força peso.

H oo ke

e

B oyle :

a lei da proporcionalidade

da pr essão e volume de um gás Robert Hooke (1635-1703), empregado do Conde de Cork como assistente de laboratório, juntamente com Robert Boyle, filho de Cork, deduziu a relação que hoje conhecemos como a lei de Boyle, a que estabelece ser constante o produto da pressão pelo volume. O sucesso desta pesquisa deveu-se ao aperfeiçoamento da bomba de vácuo realizado por Hooke (1661). Outro produto de cooperação Hooke-Boyle e muito importante foi a publicação por Boyle, em 1661, de seu livro O Químico Cético e Alguns Ensaios Fisiológicos. Eles usam de teorias do tipo atômico com referência às substâncias materiais e seu desejo de se libertar da combinação aristotélica de substância e forma. Em O Químico Cético, deu ênfase à necessidade de uma nova definição de elementos, sugerindo que eles seriam mais bem descritos como substâncias perfeitamente homogêneas nas quais os corpos mistos poderiam em última instância se transformar. Com este raciocínio, mostrava-se cada vez mais que a velha classificação terra-ar-fogo-água já havia se tornado improdutiva.

Van Helmont - A precisão das medidas e os gases

Van Helmont

Van Helmont também demonstraria que usar o velho sistema tornaria a Química uma confusa desordem de ideias. Médico e cientista experimental, Helmont dava muito valor às medidas e precisões. Estes procedimentos precisos foram, sem dúvida, o “carro-chefe” para toda a química experimental, inclusive para as medições dos experimentos subsequentes de combustão. Na primeira metade do século XVII, descobriu que a fumaça remanescente da combustão de sólidos e fluidos apresentava propriedades físicas e químicas diferentes do ar e do vapor de água. Para essas fumaças, ele criou a nova palavra, “gás”, derivada do grego “chaos” (espaço vazio) ou do holandês “gaesen” (fermentar ou efervescer). Em experiências posteriores, demonstrou a existência de diferentes tipos de gases.

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Contribuições significativas antes da Teoria de Stahl Hooke, após alguns experimentos, deduz que o ar contem uma espécie de “solvente”, que permite a ocorrência da combustão. Ele já sabia que o ar era necessário para manter o “fogo da vida” e suas experiências também revelaram que os animais, para viverem, necessitavam de ar, bombeado através dos pulmões, e que as plantas precisavam de ar para crescer. Prosseguindo, John Mayow, médico e pesquisador, mostrou, em 1679, que tanto a respiração quanto a combustão consomem determinada quantidade de ar. O economista alemão Johann Becher estudou a química dos metais e dos minerais. Becher supunha que todos os metais e minerais apresentavam três qualidades: • “Terra lapida” – componente vitrificável transparente (equivalente ao sal de Paracelso); • “Terra mercuralis” – componente sutil e volátil; • “Terra pinguis” – componente ígneo, graxo, e combustível. Tornou-se uma exposição engenhosa, principalmente depois que Becher estabeleceu que nenhum desses componentes era um determinado elemento químico e, sim, apenas qualidades de comportamento.

S tah l

ba s e i a - s e n a t eo r i a d e

fu n da m e n ta r a

Teo r i a

do

B ech e r

pa r a

F lo g í s t i co

As ideias de Becher foram os pilares das teorias de Georg Ernest Stahl (16601734). Uma delas é a Teoria do Vitalismo ou do Animismo, que defendia a existência de um sopro vital (anima) em todos os organismos. Essa doutrina mais tarde passou a se chamar vitalismo (teoria da força vital) e vigorou na Química até 1828 (síntese de ureia por Wohler a partir de compostos inorgânicos). Mas o lugar de Stahl na história da química está em sua Teoria sobre o flogisto publicada em seu livro Fundamentos da Química (do grego “phlogistos”, “queimados”), para substituir a “terra mercuralis”, e a extensão disso a todos os materiais combustíveis. A importância da teoria do fogo “flogisto” é que ele agiria como um grande princípio unificador da química. Explica a correlação de grande variedade de fatos, sendo aplicável não só à combustão, mas também à respiração e à calcinação, tornando, assim, mais compreensíveis todas as espécies de reações. Durante os próximos trinta anos seguintes foi mantida a Teoria do Flogisto como referência única, chegando a ficar embutida no pensamento químico, até posteriormente ocorrer um grande esforço intelectual para derrubá-la.

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45

A

descoberta do

“ar

fixo ”,

“ar

inflamável”

Depois da Teoria do Flogisto, o estudo da combustão e dos gases foi levado adiante, pois os químicos estavam instigados sobre a natureza do “ar”. Joseph Black, após algumas experiências, descobriu a existência do “ar fixo” (dióxido de carbono) e deduziu que o “ar” não era uma substância simples, mas uma combinação de várias substâncias. Investigações posteriores levaram Black a descobrir que o “ar fixo” era produzido durante a respiração, na combustão e na fermentação. Assim, desde 1756, quando Black publicou seus resultados, os químicos tinham a certeza de que o ar era composto por mais de uma substância química. Em 1776, após a realização de seus experimentos, Henry Cavendish verificou que um ácido, ao atuar sobre um metal, liberava um gás inflamável, e concluiu que derivava do próprio metal. Ele chamou este gás de “ar inflamável” (gás hidrogênio).

As

g r an des co ntr i bui çõ es de

Priestley

Usando sua própria tina pneumática aperfeiçoada (recipiente parcialmente imerso no mercúrio) para recolher seus “ares”, ele descreveu como havia sintetizado ares diferentes. Dentre eles, os que ele denominou: “ar nitroso”, “ar flogisticado” e “ar ácido”. Demonstrou que o volume de ar diminui de um quinto durante a respiração e, em 1772, descobriu também que combinando seu “ar nitroso” (nosso óxido nitroso) com o ar comum, obtinha um produto de cor avermelhada e que diminuía de volume. As suas experiências de explosão de gases através de uma centelha dentro de um vaso selado permitiu a realização de importantes experimentos quantitativos. Priestley também descobriu que plantas restauravam o ar respirado por um rato ou alterado na presença de uma vela acesa. Em 1774 ocorreu a sua principal descoberta, que foi o “ar desflogisticado” (nosso oxigênio). Percebeu suas importantes propriedades como manter brilhantemente a chama de uma vela. No outono deste ano Priestley foi a Paris discutir seus resultados com Lavoisier, sendo um encontro decisivo (como vimos, um pouco da história desse encontro foi, em parte, dramatizada no livro “Oxigênio”). Outra grande contribuição de Priestley foi à síntese da água, quando usando uma centelha para explodir uma garrafa, contendo uma mistura de “ar inflamável” e “ar desflogisticado”. Cavendish repetiu esta experiência, comprovando que o orvalho produzido era de fato “água pura”. Apesar de ter sintetizado independentemente o oxigênio, o farmacêutico sueco Carl Scheele, em 1772, foi o primeiro a descobrir o oxigênio. Scheele também deduziu que o ar era composto de duas espécies – “o ar de fogo” (ou o ar desflogisticado de Priestley), que favorecia a combustão, e outra espécie de ar, que a impedia. Os resultados de Scheele somente foram publicados em 1777 numa versão inglesa. Lavoisier, a partir deste arsenal de descobertas e teorias, do seu fantástico senso crítico-científico, dos instrumentais precisos que dispunha e que também aperfeiçoou, 46  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

e da preciosa colaboração da Madame Lavoisier estava com tudo para ser mentor de um dos maiores cortes epistemológicos da história da ciência e em particular da Química.

A n t o i n e L av o i s i e r : u m p o u c o d a b i o g r a f i a d o P a i d a Q u í m i ca M o d e r n a Antoine Laurent Lavoisier nasceu em 16 de Agosto de 1743, em Paris. Seu pai, Jean Antoine, era advogado e procurador do Parlamento dessa cidade. Sua mãe, Emilie Punctis, faleceu quando Lavoisier contava com 5 anos de idade. Tanto a mãe quanto o pai pertenciam a famílias de posses dos grandes burgueses na época, de forma que Lavoisier recebeu, além do afeto, uma educação esmerada na época. Em 1754, ingressa no famoso Collège Mazarin, onde conclui seus estudos secundários. Em 1762, entrou na Universidade Jardin du Roy e no ano 1764 recebeu o diploma de Advogado. Durante sua vida universitária, demonstrou interesse pelas Ciências Naturais, seguindo os cursos de professores renomados como o químico Guillaume François Rouelle (1703-1770), o botânico Bernard de Jussieu (1699-1777), o matemático Nicholas Louis de Lacaille (1713-1762), o geólogo Jean Etienne Guettard (17151786) – este último considerado um dos fundadores de geologia moderna –, e Etienne Bonnot de Marly de Condillac (1715-1780), professor de Lógica. Em 1765, Lavoisier apresentou um trabalho, propondo a utilização do azeite de oliva para iluminação pública, onde ganhou um concurso promovido pela Academia de Ciência. Apresentou também outro trabalho de natureza aplicada. Ingressou na Academia das Ciências em 1768. No início de 1768, tendo herdado uma fortuna considerável, investiu no empreendimento que lhe traria uma grande riqueza, mas também a condenação à morte durante o terror revolucionário. Trata-se da Ferme Générale, ou Fazenda Geral: uma sociedade privada de 60 pessoas que negociava a cada seis anos com o governo o privilégio de cobrar certas taxas, como a chamada gabelle, o odiado imposto sobre o sal e impostos aduaneiros. Na Ferme Générale, o superior direto de Lavoisier era o riquíssimo Jacques Paulze. Lavoisier (28 anos) casou-se com a sua filha Marie–Anne (13 anos). Madame Lavoisier veio a se tornar importante colaboradora científica do marido, ajudando nos experimentos e desenhos como aqueles ilustrados no seu livro Tratado Elementar da Química.

Adaptação do Retrato de Lavoisier e sua mulher pelo pintor Jacques-Louis David, em 1788. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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Uma das ilustrações desenhadas por Marie-Anne. Prancha IV do Tratado Elementar de Química de Lavoisier

P r i n c i pa i s

Desenho de madame Lavoisier mostrando um experimento a respeito da respiração humana. A autora do desenho aparece à direita. o b r a s c i e n t í f i ca s d e

L av o i s i e r

• A Teoria da Combustão; • Derrubada da Teoria do Flogisto; • A Composição da Água; • Experiências Calorimétricas; • Experiência Sobre a Respiração; • “Traité Élémentaire de Chimie” Vamos, então, elencar e descrever um pouco os grandes experimentos, descobertas e teorias de Lavoisier, que rechearam brilhantemente o “Traité Élémentaire de Chimie”.

O “Principe Oxygine ” e o “Principe Hydrogen ” Depois da visita de Priestley, Lavoisier fez uma série de outras experiências fundamentais para o início de suas grandes teorias. No final da década de 1770 ele próprio ficou convencido de que o ar era um composto de alguma natureza, contendo uma parte eminentemente combustível e outra irrespirável. Os estudos de calcinação isolada e depois na presença de carvão o levaram a concluir que o “ar fixo” de Black era uma espécie de composto de carvão. Depois, em 1779, declarou que a parte combustível do ar era um constituinte de todos os ácidos e o chamou de “principe oxygine”. Considerando os experimentos de Priestley e Cavendish, através de suas análises, descobriu que a água se divide em certas circunstâncias, dando seu principe oxigene, por um lado, e um princípio da água – principe hydrogen (do grego “hydro”, “água”) –, por outro. A partir daí uma série de reações químicas podiam ser explicadas, como as reações que envolviam ácidos que atuavam sobre os metais. Lavoisier demonstrou como o oxigênio e o hidrogênio realizavam cada qual uma parte e foi capaz de formular uma teoria totalmente nova, contrapondo radicalmente a teoria do Flogisto.

Analisemos agora como Lavoisier contrapôs a teoria de Stahl, criticando aqueles que, apesar de todas as evidências para a formulação de um novo paradigma para a teoria da natureza e transformações químicas, ainda continuavam relutantes ao mesmo.

Contr apontos

da teoria do

Flo g i s to

• A teoria de Stahl não explicava reações como a queima de estanho, do mercúrio e do fósforo, produzindo materiais sólidos mais pesados que os originais; • Ao contrário, a queima do carvão e do enxofre que deixa resíduos sólidos mínimos, menos pesados que as substâncias originais; • Como admitir que a perda do flogisto por um corpo podia, em alguns casos, diminuir e, em outros, aumentar a massa? »» flogismo sui generis »» massa + »» massa -

A

c r í t i ca d e

L av o i s i e r

Stahl: metal cal + flogisto (metal) = composto Lavoisier: metal + oxigênio cal (metal) = elemento.

Na memória de 1785, intitulada Reflexões sobre Flogisto, Lavoisier cita: “Os químicos fizeram do flogisto um princípio vago que não é definido rigorosamente e que, em consequência, se adapta à a todas as explicações nas quais pode se encaixar; ora ele é fogo livre, ora é fogo combinado com elemento terroso; ora ele passa através de poros de frascos, ora eles lhe são impermeáveis; ele explica ao mesmo tempo a causticidade e a não-causticidade... É um verdadeiro Proteu, que muda de forma a cada instante. É tempo de reconduzir a Química à uma maneira mais rigorosa de raciocinar, de distinguir o que é de fato e de observar o que é sistemático e hipotético”.

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49

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Na

8

n o i t e s e e s c o n d i a m a n at u r e z a

e suas leis:

Deus

disse, que sur ja

New ton! E

tudo foi luz Alexander Pope (1688-1744)

“Q

uando constatei estar em minhas mãos um poder tão assombroso, hesitei por longo tempo sobre a maneira de usá-lo. Assim como a capacidade de dar vida à matéria, o problema de preparar uma estrutura para recebê-la, com todo o seu complexo de fibras, músculos e veias, exigia ainda um trabalho por demais árduo e penoso. Vacilei, a princípio, entre a tentativa de criar um ser igual a mim ou de intentar uma organização mais simples. Minha imaginação, porém, estava por demais exaltada diante do primeiro êxito para me permitir dúvidas quanto à possibilidade de dar vida a um animal tão maravilhoso como o homem. Eu tinha a fórmula, faltava-me a matéria-prima. Onde e como obtê-la? Sabia que iria enfrentar um sem-número de empecilhos que poderiam me pôr em risco de realizar uma obra imperfeita. Mas face ao incessante progresso da ciência e da mecânica, aos aperfeiçoamentos que surgem dia a dia, eu teria pelo menos a possibilidade de assentar os alicerces para um êxito futuro. A impraticabilidade da empresa estava, todavia, fora de minhas cogitações, tais eram as condições em que comecei a criação de um ser humano. Como a complexidade dos órgãos constituía um obstáculo à rapidez do meu empreendimento, resolvi, contrariando minha primeira intenção, construir um ser de estatura gigantesca, partindo da ideia de que, trabalhando em escala mais ampla, seria mais fácil manipular as partes para chegar ao todo, tal como ocorre ao cartógrafo ao elaborar um mapa. Assim, visualizei uma criatura com cerca de dois metros e meio de altura e proporcionalmente vigorosa. Partindo de tal resolução, após passar alguns meses coletando e preparando meus materiais, comecei.” O texto apresentado é um fragmento de uma famosa obra da literatura mundial, que você já deve ter lido ou visto em filmes. De autoria da escritora britânica Mary Shelley e publicada em 1818, a obra UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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ilustra a visão do universo-máquina a partir da história de um estudante de ciências naturais que desenvolve interesse pela física e química e, combinando ambas as formações, procura descobrir o princípio vital latente em todas as coisas vivas. Sim, estamos nos referindo à fantástica história de Frankenstein. A ideia do médico Victor Frankenstein de construir uma criatura a partir da junção de partes de diferentes mortos ilustra uma forma de pensamento emergente no século XVII, pensamento daqueles que desejavam modificar a ordem medieval. A obra expressa a concepção mecânica da natureza. Para esta corrente, o Mecanicismo, todos os fenômenos naturais podiam ser interpretados como resultado da simples interação entre partículas, sem a necessidade de recorrer a argumentos teológicos. A base da elaboração desta nova visão foi lançada em 1687 com a publicação da obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Princípios Matemáticos da Filosofia Natural), uma das mais célebres obras que influenciaram profundamente os assuntos humanos. Nela, o autor Isaac Newton (1642-1727), conseguiu explicar de maneira satisfatória fenômenos terrestres e celestes a partir de leis matemáticas experimentais. Newton apresenta em três livros as relações entre forças e movimentos e a aplicação destas para o caso dos corpos celestes. Segundo Prigogine e Stengers (1997, p.20), “doravante é newtoniano tudo o que trata de leis, de equilíbrio, tudo o que reativa os mitos da harmonia onde podem comunicar a ordem natural, a ordem moral, social e política. O sucesso newtoniano reúne desde então os mais diversos projetos. Certos filósofos românticos da natureza descobrem no mundo newtoniano um universo encantado, animado pelas forças mais diversas. Os físicos mais ‘ortodoxos’ veem nele um mundo mecânico e matematizável, regido por uma força universal. Para os positivistas é o êxito de um procedimento”. Considerado o caminho da “Verdade”, o trabalho de Newton foi adotado por um grupo de filósofos do século XVIII, os Newtonianos, que desejavam afastar falsas crenças e libertar os homens de suas fantasias e medos (BRAGA et al., 1999). Neste grupo, encontravam-se os defensores da filosofia iluminista, filósofos como os franceses Voltaire (1694-1778), Montesquieu (1689-1755), Jean-Jacques Rousseau (17121778), Denis Diderot (1713-1784) e Jean Le Rond d´Alembert (1717-1783), o alemão Immanuel Kant (1724-1804) e o inglês John Locke (1632-1704). O movimento iluminista surgiu na França, defendendo o domínio da razão no combate à visão teocêntrica e a ideia de liberdade para combater o poder centralizado da monarquia, com o propósito de iluminar as trevas em que se encontrava a sociedade. Acreditando que a felicidade comum seria alcançada se todos fizessem parte de uma sociedade justa, com direitos iguais a todos, através de seu lema “liberdade, igualdade e fraternidade”, o projeto iluminista influenciou a Revolução Francesa e outros movimentos sociais como a independência das colônias inglesas na América do Norte e a Inconfidência Mineira ocorrida no Brasil (FALCON, 2000; ROUANET, 2002). Entretanto, compreendendo a importância da obra de Newton, a revolução intelectual que se efetivou no século XVIII não foi feita de um único personagem nem fruto de trabalhos em uma determinada área da ciência. Afinal, sem o apoio dos “om52  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

bros de gigantes”, Newton não teria enxergado tão longe e, sem a vigorosa divulgação dos filósofos iluministas, este novo olhar para os fenômenos naturais não teria tão grande nem tão rápida repercussão.

Newton

e o

Principia

O livro Principia foi escrito em latim técnico, profusamente ilustrado com diagramas geométricos complexos, sendo endereçado quase que exclusivamente a astrônomos, matemáticos e físicos. Começando com uma explicação do cálculo diferencial, inventado por Newton3 e usado como instrumento de computação em toda a obra, segundo o próprio Newton, não havia ao final do século XVII mais que três ou quatro homens vivos capazes de compreendê-lo. No Brasil a obra só foi publicada 300 anos após o seu lançamento (CHASSOT, 1994, p.108).

Se a obra de Newton foi a inspiração para o Movimento Iluminista, segundo a lenda, a queda de uma maçã teria sido a fagulha necessária para Newton se inspirar. Você, inspirado pelos fenômenos ilustrados na figura, reconhece as relações que Newton conseguiu estabelecer entre esses fenômenos? Para ampliar os seus conhecimentos a respeito do tema, sugerimos a leitura de alguns dos livros indicados ao final do capítulo. Ainda aproveitando o momento, se você ainda não assistiu, sugerimos o filme Frankenstein de Mary Shelley (1994). Um clássico do gênero, o filme do diretor Kenneth Branagh tem como intérprete da criatura o reconhecido ator Robert De Niro. Seria interessante, após assistir ao filme, buscar os elementos principais que devem ser destacados, além de outros aspectos interessantes do filme que remetem ao período em estudo. Alguns minutos de trocas de ideias podem despertar uns nos outros a atenção quanto a aspectos que não foram percebidos.

____________________ 3 Um método idêntico de cálculo foi criado pelo filósofo e matemático alemão Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), sem que um tivesse conhecimento do resultado dos estudos do outro.

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O b s e r va n d o

9

regul aridades:

é p o s s í v e l p r e v e r o ac o n t e c i m e n t o d e u m f e n ô m e n o n at u r a l ? Uma estrela ardente foi vista nos céus trazendo um Terremoto, Guerras, a Peste, a Escassez Absoluta, e a morte do Imperador e do Papa. Increase Mather (1639-1723)

E

m 1681 o presidente do Harvard College, Increase Mather, filho de Richard Mather, puritano que migrou para a América do Norte para pregar doutrinas proibidas na Inglaterra, pronunciou um sermão publicado com o título “Alarmes Celestes”. Neste sermão, Mather relacionava os fenômenos cósmicos repentinos, que aconteceram antes ou depois de calamidades, a mensagens de um Deus extremamente insatisfeito com um mundo repleto de pecadores (GLEISER, 2001). Inspirado pela passagem de um cometa em 1680, Mather interpretava os sinais celestes como presságios do Fim, eventos que rompem a ordem cósmica, não apresentando regularidades, regidos pela ira divina. Por outro lado, acreditando que as regularidades dos fenômenos naturais eram possíveis de previsão através da linguagem matemática, o astrônomo inglês Edmond Halley (1656-1742) aplicou a física newtoniana ao estudo dos cometas. Ao afirmar que as aparições de 1531, 1607 e 1682 se tratavam de um mesmo cometa e, utilizando a Lei da Atração Gravitacional, Halley previu para 1758 uma nova aparição. Com um erro de alguns dias, o cometa reapareceu. Halley não sobreviveu para ver o regresso do cometa, mas o sucesso de sua predição foi considerado como prova do sucesso do mecanicismo. Halley foi o primeiro astrônomo a teorizar que as passagens de um mesmo cometa seriam um fenômeno periódico. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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O C o m e ta H a l e - B o p p Três séculos depois da descoberta de Halley, em 1997, a passagem do cometa Hale-Bopp, um dos maiores cometas observados no século XX, ainda provocou receio e pânico em parte da população. Dentre as diferentes manifestações de temor, a mais trágica aconteceu em San Diego, EUA, onde 39 membros da seita Ordem do Portão Celeste cometeram suicídio coletivo. Os membros da seita acreditavam que o ato os levaria para uma nave extraterrestre escondida na cauda do cometa. Um movimento que se repete a intervalos de tempo regulares é chamado movimento periódico ou movimento harmônico. Em outras situações da natureza encontramos corpos que executam movimentos de ida e volta em torno de certa posição, a posição de equilíbrio. Alguns termos são muito importantes nas discussões sobre movimentos periódicos: • Período, T, é o tempo correspondente a um ciclo, uma oscilação completa. A sua unidade SI é o segundo. O cometa de Halley, por exemplo, apresenta um período de 76 anos. • Frequência, f, corresponde ao número de ciclos efetuados em uma unidade de tempo. A sua unidade SI é o hertz (Hz): 1 Hz = 1 ciclo/s = 1 s-1 Existe uma relação simples entre período e frequência: f = 1/T

Equação 01

Cotidianamente, você pode se deparar com outras unidades de frequência. Na técnica, por exemplo, utiliza-se muito como unidade de frequência o rpm (rotações por minuto). Sendo, por definição, a frequência igual ao inverso do período, podemos concluir que um cometa que tenha um período menor que o Halley apresente uma frequência de aparições na Terra maior ao longo dos anos. Concorda? • Amplitude, A, para um movimento oscilatório, é a distância entre a posição extrema que o corpo em movimento consegue alcançar e a posição de equilíbrio (x = 0). Alternativamente, todos os movimentos periódicos podem ser relacionados com um movimento periódico mais familiar ao estudante, o movimento circular uniforme. 56  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

A

A

t=0 Δϕ = 0

A

0

A

t = T/4 Δϕ = 90° = π/2

A

A

t = T/2 Δϕ = 180 = π

A

A

t = 3T/4 Δϕ = 270° = 3π/2

A

A

t=T Δϕ = 360° = 2π

Esquema, representando o movimento circular uniforme.

Assim, o movimento de um pêndulo simples4, por exemplo, após um intervalo de tempo de meio período (T/2), apresenta um deslocamento angular (∆φ) ou variação de fase igual a p rad. Partindo desta comparação, podemos utilizar para expressar a rapidez da oscilação de um movimento periódico, além do período e da frequência, outra grandeza denominada por frequência angular (velocidade angular ou ainda pulsação). Essa grandeza relaciona a variação angular com o intervalo de tempo necessário para efetivá-la: ω=∆φ/∆t

Equação 02

Para ciclos completos, quando ∆φ = 2π e ∆t = Período = T, a equação pode ser modificada para: ω=2π/T

Equação 03

Ou, ainda, sabendo que a frequência é o inverso do período, a frequência angular pode ser expressa por: ω=2πf

Equação 04

Uma vez que a frequência é dada em ciclos/s, o fator 2π pode ser interpretado como se apresentasse a unidade rad/ciclo, de forma que a unidade da frequência angular deve ser rad/s.

O período de um pêndulo: a inspiração nas alturas Observando as oscilações dos lustres durante uma missa na Catedral de Pisa, Galileu Galilei teve a ideia de medir o tempo de oscilação desses objetos, comparando-

____________________ 4 Pequeno corpo, suspenso por um fio fino e leve, que afastado da sua posição de equilíbrio (x = 0) e abandonado passa a oscilar em torno dessa posição.

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-os com a contagem das batidas de seu próprio pulso. Repetindo o experimento com um pêndulo, Galileu confirmou que o período das oscilações permanecia inalterado, mesmo quando as oscilações ficavam cada vez menores. Por sugestão de Galileu, o uso de um pêndulo de comprimento padrão passou a ser utilizado para fazer a medida da pulsação de pacientes. Galileu, ao perceber que o período de um pêndulo não depende da massa do corpo que está presa na extremidade do fio e, conhecendo que o movimento do pêndulo e a queda livre são causados pela ação da gravidade, imaginou que objetos de massas diferentes levariam o mesmo tempo para ir de uma posição mais alta para a posição mais baixa, quando soltos simultaneamente. Supostamente, Galileu comprovou sua tese na “famosa” experiência na Torre de Pisa (ANDREWES, 2002). Aprofundando os estudos a respeito dos movimentos periódicos, Galileu formulou a Lei do Pêndulo, que permite determinar o período, para pequenas oscilações, de um pêndulo simples: T=2π

ℓ

Equação 05

g

Onde, ℓ é o comprimento do fio e g o valor da aceleração da gravidade local.

Indo

e

Vi n d o

O pêndulo estudado por Galileu tornou-se um instrumento importante para medir o tempo, equipando relógios cerca de cem vezes mais precisos que seus antecessores. Ainda assim, relógios de pêndulo também podem atrasar ou adiantar. Suponha que um relógio deste tipo, quando em correto funcionamento, oscile uma vez a cada 4 segundos. No entanto, no local em que se encontra instalado, observou-se que o relógio atrasa 18s a cada hora. Qual a justificativa para tal atraso? Considerando o pêndulo do relógio como um pêndulo simples, responda com calma as questões que se seguem, mas não se atrase com a tarefa! a) Formule uma hipótese que possa justificar esse atraso. b) Quanto ele atrasa por ciclo? c) Qual deve ser a frequência angular do pêndulo para que funcione corretamente? d) Para ajustar o relógio devemos promover um aumento ou diminuição na frequência de oscilações do pêndulo? No esquema abaixo, indique em que situação(ões) haveria(m) um aumento na frequência de oscilações do pêndulo. i

ii

L m

L2

L1

m

iii

iv

L

L

m L1 > L

L2 < L

2m

m/2

Esquema, representando a frequência de oscilações do pêndulo.

58  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

A t i v i d a d e P r át i ca Nesta atividade você poderá estimar o valor da aceleração da gravidade a partir da oscilação de um pêndulo. Você vai precisar de: • Pêndulo (fios de nylon, suporte e diferentes massas); • Régua; • Relógio com cronômetro. Va m o s l á? Após montar o pêndulo, meça o comprimento do fio e coloque a esfera em movimento através de um pequeno movimento lateral. Utilizando o cronômetro, meça o tempo necessário para que o pêndulo complete 10 ciclos. Esta medida pode reduzir os erros para a determinação do tempo gasto para realizar um ciclo, um período. Experimente repetir o procedimento substituindo a massa e variando o comprimento do pêndulo. Construa uma tabela relacionando os dados das medições, conforme o exemplo: M assa

Comprimento (m)

Objeto 1 Objeto 1 Objeto 2 Objeto 2

0,3 1,2 0,3 1,2

Tempo de 10 oscilações (s)

Período T (s)

Período2 T 2 (s2)

Aplicando a Lei do Pêndulo de Galileu, procure estimar o valor da aceleração da gravidade local a partir dos valores encontrados no experimento. Para perceber a relação entre as grandezas envolvidas no fenômeno, seria interessante construir em papel milimetrado os gráficos L x T e L x T2. Quanto maior a quantidade de medições, mais nítida ficará a tendência do comportamento das variáveis no gráfico. Estes gráficos também podem ser construídos com o auxílio de uma planilha eletrônica, o Excel, por exemplo. Caso não tenha intimidade com esta ferramenta esta é uma boa hora para começar. Que tal?

Forças

r e s ta u r a d o r a s

Estudando os pêndulos, você talvez tenha se perguntado sobre o que faz com que o pêndulo fique oscilando? Fica fácil responder a questão creditando toda a culpa pela situação à força responsável por alterar o estado de movimento do corpo. Entretanto, em quase todas as situações, o movimento de um corpo está associado a uma

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composição de forças. Sabendo que a dinâmica de movimento de um corpo não depende dessas forças individualmente, segundo a Dinâmica de Newton, a melhor forma para analisar um movimento seria identificarmos isoladamente as forças que agem sobre o sistema, para só depois entendermos como essas forças agem em conjunto. Voltando ao pêndulo, de acordo com essa proposição de Newton, procure representar na figura abaixo os vetores das forças que atuam sobre o objeto do pêndulo, tanto na subida quanto na descida.

Descendo

Subindo

Representação do movimento do pêndulo.

Nas duas situações, desprezando todas as resistências, você deve ter representado duas forças: a força de tração, que atua na direção do fio, puxando o objeto no sentido do ponto de apoio; e a força peso, a atração do Planeta, puxando verticalmente para baixo. Assim feito, o próximo passo seria determinar a resultante dessas forças em cada situação. Para tanto, você deve aplicar a regra do paralelogramo para somar os vetores. Olhando para os dois desenhos, você pode estranhar que, mesmo na subida, a resultante das forças tende a puxar o objeto no sentido da posição de equilíbrio. Não há nada de errado! Para que o movimento se perpetue, é necessário que exista uma força animando o movimento, sempre trazendo o objeto de volta. Essa força – ou resultante de várias forças –, que faz com que ele vá e volte, passando pela posição de equilíbrio, é designada força restauradora. Quando a força restauradora é diretamente proporcional ao deslocamento da posição de equilíbrio, a oscilação denomina-se movimento harmônico simples (MHS). Dessa maneira, se o corpo for deslocado “x” do equilíbrio pela ação de uma força restauradora F, essa será dada por: F = -k x -A

0

Equação 06

Onde, o sinal indica que o sentido da força será contrário ao deslocamento, quando x for positivo, e que terá o mesmo sentido, quando x for negativo. Esse importante movimento é um modelo simples capaz de descrever diversos tipos de movimentos periódicos, tais como a vibração de um cristal de quartzo em um

A

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relógio, o movimento de um diapasão, a corrente elétrica em um circuito de corrente alternada e as vibrações dos átomos nas moléculas e nos sólidos (YOUNG & FREEDMAN, 2008). No caso do pêndulo simples, apenas para pequenas oscilações, o pêndulo descreve um MHS.

No

m o v i m e n t o d o c o m e ta , q u a l é a

f o r ç a r e s ta u r a d o r a ?

De acordo com a Lei da Inércia de Newton, em um corpo que se encontra em equilíbrio, seja em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme (MRU), a resultante das forças que atuam neste é nula. Por outro lado, o Princípio b) Fundamental da Dinâmica propõe que para um corpo variar sua velocidade, em módulo ou em direção e sentido, é preciso que exista uma força resultante atuando sobre este corpo. a) Para movimentos como os realizados por um cometa, apesar F2 de periódicos, não existe uma posição de equilíbrio, de forma que não podemos falar em força restauradora. Por outro lado, a não existência de forças faria com que o cometa se perdesse no espaço seguindo sempre em MRU (b). Portanto, um movimento curvilíneo é mantido por uma força ou uma resultante dessas, que tende a puxar o objeto de forma a encurvar a sua trajetória (a), denominada força ou resultante centrípeta. Na situação descrita na figura, uma componente da força gravitacional é a força centrípeta responsável pelo movimento. Atuantes em qualquer trajetória que possa ser considerada como parte de um arco circular, as forças centrípetas estão sempre orientadas para o centro deste círculo, direção radial, perpendicular à velocidade instantânea. Também governados pela 2ª Lei de Newton, os movimentos curvilíneos tem aceleração radial determinada por: arad = v2 / R

F1

Equação 07

E a força centrípeta, radial ao movimento, é dada por: Fcp = m.arad = m.v2 / R

Equação 08

Onde, m é a massa do objeto em kg e R é o raio do arco circular descrito naquele instante. A partir de agora será preciso tomar mais cuidado com os termos que usamos para nos referirmos aos movimentos curvilíneos. Antes de continuarmos, pense por um instante no caso do pêndulo, que também executa um movimento curvilíneo. Quantas forças atuam neste? Se sua resposta foi 3, o peso, a tração do fio e a força centrípeta, você precisa entender melhor este conceito. Não existe especificamente uma força centrípeta! Em UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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T

cada situação uma força ou uma resultante de várias forças age encurvando a trajetória do corpo, sendo, então, “apelidada” de força ou resultante centrípeta. No caso do pêndulo, uma componente da força resultante entre o peso e a tração no fio é a resultante centrípeta do movimento em cada instante. No ponto inferior da trajetória a resultante centrípeta pode ser expressa por: Fcp = T – P

P

Equação 09

Para que um carro, realizando uma curva em uma estrada horizontal, não derrape, é preciso que a força de atrito entre os pneus e o solo atue como a força centrípeta responsável por manter a trajetória curvilínea. Estaríamos nos expressando de forma errônea se disséssemos que a curva do carro só é possível pela presença da força de atrito e da força centrípeta.

SAIA DESSA! Com a tarde livre, você saiu para passear com seu cãozinho. Brincalhão, o cãozinho começa a girar a sua volta. A situação lhe remete ao assunto deste módulo. O movimento circular do cão é mantido graças à força de tração aplicada na corda por você. Considerando esta sua força como a força centrípeta do movimento, responda as questões conforme a sua intuição: 1. A intensidade da força aplicada por você na corda deveria ser maior, menor ou a mesma, caso: a) o cachorro fosse maior; b) você aumentasse o comprimento da corda em que o cão gira; c) o cão fosse mais rápido. Procure relacionar as suas respostas com a dependência da força em relação às variáveis apresentadas na Equação 08.

Se você nunca reparou, pilotos de corridas automobilísticas procuram fazer as curvas de forma aberta no início e fechando quando no seu interior (Figura). Reflita e procure entender o porquê desta atitude?’

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Força Centrífuga: Um

er ro muito comum

Muitas pessoas, ao analisarem um movimento curvilíneo, utilizam esquemas que mostram setas correspondentes à força centrípeta e centrífuga agindo sobre o corpo. Se isso fosse verdade, o corpo estaria parado, não em movimento circular uniforme, ou, ainda, quando deixasse de existir o agente responsável pela realização da curva, o corpo passaria a se mover para fora. Por exemplo, quando um carro em uma curva encontra óleo na pista, o atrito deixa de existir repentinamente, o carro, então, abandona a pista por inércia, movendo-se tangencialmente a à curva, não sendo lançado para fora desta. A força centrífuga, também chamada de "força fictícia", pode ser invocada desde que mencionemos o referencial, uma vez que a mesma é apenas um efeito matemático produzido pelo uso de referenciais não inerciais na descrição do movimento. Máximo & Alvarenga, 1997

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H av i a

10

N ew to n não i m a g i n ava : A E n e r g i a

um a co isa que

“A

integração de áreas do conhecimento científico aparentemente desconexas foi essencial para o estabelecimento do princípio da conservação da energia, contribuindo para o avanço da termodinâmica e do próprio conceito de energia. Para a elaboração do princípio da conservação da energia, dois momentos da história foram fundamentais. Um, entre 1800 e 1842, em que o princípio de convertibilidade das várias forças5, em especial de calor em trabalho, era compartilhado por vários pesquisadores da época (Mohr, Grove, Faraday e Liebig) sem, contudo, envolver a ideia de conservação. O outro, entre 1842 e 1847, em que ocorre a “descoberta” simultânea do princípio da conservação da energia, foi marcado pela “generalidade na formulação” e “aplicações quantitativas concretas”, características que fizeram do princípio da conservação da energia uma das descobertas mais importantes da história da ciência.

____________________ 5 Naquela época o que conhecemos hoje como energia era chamado de força.

Fonte: GONICK & HUFFMAN, 1994, p.13. Fonte: GONICK & HUFFMAN, 1994, p.13.

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A aplicação quantitativa concreta pode ser exemplificada no primeiro artigo publicado por Mayer (1842), no qual enfatiza, como um princípio filosófico, a ideia de que alguma coisa deve se conservar nas transformações físicas. O autor justifica essa ideia a partir dos princípios metafísicos de que “nada pode surgir do nada” e a causa é igual ao efeito. O problema fisiológico detectado por Mayer, da diferença da cor do sangue de um europeu na Europa da de um europeu em Java, serviu de motivação para o mesmo estudar os processos de conservação. De acordo com o autor, a distinção entre a cor do sangue arterial e venoso seria devido à diferença entre suas quantidades de oxigênio e gás carbônico e, para que um corpo possa manter a sua temperatura constante, o calor interno desenvolvido deve manter uma relação quantitativa com o calor perdido pelo corpo. Contudo, suas ideias não tiveram grande aceitabilidade na comunidade científica da época. A descoberta deste princípio se deu de forma desordenada do surgimento de elementos experimentais e conceituais por alguns cientistas como Mayer, Joule, Colding, Helmholtz, Sadi Carnot, Marc Séguin, entre outros. Apesar de terem feito experimentos distintos em momentos diferentes, o fato é que eles estavam falando da mesma coisa: o princípio da conservação da energia. A investigação de James Prescott Joule (1818-1889) foi o marco principal de como os processos de conversão demarcaram a base experimental da conservação da energia e possibilitou os laços fundamentais entre os vários cientistas, principalmente os da engenharia do vapor. Em 1838, Joule estava preocupado com os motores elétricos, em 1840 o seu estudo dos motores em termos de trabalho e funcionamento aproximou-se dos investigadores das máquinas a vapor, Carnot, Séguin, Hirn e Horltzmann. Em 1841 e 1842, desviou a sua atenção para os problemas químicos vinculados às baterias que moviam os motores elétricos. Em 1843, preocupado com a descoberta de um erro no seu trabalho anterior com baterias, Joule voltou sua atenção para pesquisas com motor em termos de trabalho-funcionamento, estudando as conversões entre os diferentes tipos de “forças” (elétrica em calor, mecânica em calor) determinando, inclusive, a equivalência entre trabalho e calor. A preocupação com os motores foi um produto secundário da revolução industrial e este aspecto da ciência foi determinante na formulação quantitativa da conservação da energia. Devido ao interesse pelos motores, o conceito de trabalho passou a receber a importância necessária, sendo este conceito a contribuição mais decisiva para a conservação da energia. A ocorrência persistente de saltos mentais de alguns cientistas, que estavam profundamente predispostos a ver uma única força indestrutível na raiz de todos os fenômenos naturais, também foi favorável. A crença de Lavoisier na conservação das massas, por exemplo, mesmo em casos em que se observava uma variação de massa nas reações químicas, fez com que o mesmo persistisse até conseguir elementos para explicar tais variações. Enfim, o fato é que o estabelecimento do princípio da conservação da energia não foi tão simples, porque era possível interpretar as experiências de muitas formas diferentes e, por isso, grande parte dos cientistas continuou a admitir uma conservação 66  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

do calórico ao invés de aceitar uma transformação de trabalho em calor. Como podemos perceber, para o estabelecimento do princípio da conservação da energia tivemos influências de diversas áreas do conhecimento como fisiologia, filosofia, física e engenharia.”

QUEIRÓS & NARDI, 2009

O texto relata a história da descoberta do Princípio da Conservação da Energia. Como você pôde perceber, a descoberta foi resultado da circulação de ideias que contribuiu para a instauração, extensão e transformação de um estilo de pensamento. A época foi marcada pela descoberta da energia, conceito muito abrangente e, por isso mesmo, muito abstrato e difícil de ser definido, sendo este um dos fatores significativos que desencadearam a descoberta simultânea do Princípio da Conservação da Energia. No texto, os anos entre 1800 e 1842 são retratados como o período em que a convertibilidade das várias energias era compartilhada por vários pesquisadores da época. Verifique se você consegue identificar na tabela abaixo algumas das energias envolvidas nas conversões: A no

Pesquisador

1768

Watt (1736-1819)

1800

Volta (1745-1827)

1820

Oersted (1777-1851)

1821

Seebeck (1770-1831)

1831

Faraday (1791-1867)

1840

Joule (1818-1889)

Conversão Térmica ---> _____________________ (Máquina térmica) ______________ ---> ______________ (Pilha) ______________ ---> ______________ (Eletroímã) ______________ ---> ______________ (Termopar) ______________ ---> ______________ (Indução Eletromagnética) ______________ ---> ______________ (Efeito Joule)

Chamamos de Energia Mecânica todas as formas de energia relacionadas com o movimento de corpos ou com a capacidade de colocá-los em movimento ou deformá-los.

A E n e r g i a M e c â n i ca A descoberta de que a energia se apresenta de diferentes formas, podendo ser convertida de uma destas formas para outra, de maneira que não é criada – pois não surge do nada –, e tão pouco destruída, mostrou que essa grandeza, até então desconhecida, a energia, pode se apresentar sob diferentes “disfarces”. Ao buscar identificar estas diferentes formas de energia em nosso cotidiano, percebemos a sua relação com uma grandeza física de grande importância, o Trabalho.

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Assim, Energia e Trabalho são conceitos equivalentes. Energia pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho, enquanto que, realizando trabalho sobre alguma coisa, esta recebe energia. Em Física, uma força F realiza trabalho quando move um corpo ao longo de um deslocamento d. Equação 10

W=FXd

No entanto, a força só realiza trabalho se estiver aplicada na mesma direção do deslocamento. Dessa forma, aquelas forças designadas por centrípetas nos MCU, por exemplo, não realizam trabalho algum, mesmo que esteja acontecendo um deslocamento, pois atuando numa direção perpendicular ao deslocamento não oferecem nenhum acréscimo de energia ao sistema. Muitas unidades diferentes são utilizadas para medir Trabalho/Energia, como o quilowatt-hora na eletricidade, a caloria na física térmica e o joule, a unidade do Sistema Internacional. Na definição de trabalho, então, 1 J corresponde a uma força de 1 N aplicada em um deslocamento de 1 m. Ao levantar um objeto de 100 g, com peso aproximado de 1 N, a 1 m de altura, com velocidade constante, estamos realizando um trabalho de 1 J. Por outro lado, como veremos a seguir, o objeto nesta nova posição acumula uma energia igual a 1 J. A energia mecânica, energia devido ao movimento ou à posição de um corpo, pode se apresentar basicamente de duas formas: cinética ou potencial. Para melhor entendermos essas duas formas da mesma energia, vamos imaginar a situação do Sr. Locke, que durante seus estudos teve que fazer um salvamento, parando um carrinho de bebê que vinha em alta velocidade em sua direção. O Sr. Locke precisou realizar uma força enquanto se deslocava para trás até o carrinho parar. Força aplicada ao longo de um deslocamento, podemos dizer que o Sr. Locke realizou um trabalho. Se o Sr. Locke realizou um trabalho sobre o carrinho, é possível afirmar que o carrinho estava “animado” com uma certa quantidade de energia. Então, o Trabalho do Sr. Locke foi igual ao valor da energia perdida pelo carrinho, energia esta devida à velocidade que este apresentava, denominada por energia Cinética. Caso a criança no carrinho tivesse uma massa maior ou o carrinho estivesse mais veloz, o Sr. Locke faria o mesmo trabalho para parar o carrinho? Fica claro que a Energia Cinética do carrinho, que neste caso tem o mesmo valor que o trabalho realizado pelo Sr. Locke para pará-lo, depende da massa e da velocidade do objeto em questão. Assim, a energia cinética de um objeto pode ser determinada por: Ec = 1/2 m x v2

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Ec = en. cinética m = massa v = velocidade

Equação 11

Agora, se voltamos ao ponto em que o carrinho está no alto da rampa, em repouso, não percebemos energia alguma. Porém, deve existir alguma energia envolvida, uma vez que, pelo princípio da conservação de energia, a energia cinética não poderia simplesmente aparecer no carrinho. Em casos como este, dizemos que existe uma energia acumulada, uma energia potencial. A responsável por esta energia acumulada é a gravidade do Planeta! Essa energia gravitacional ou energia potencial gravitacional, quando o carrinho começa a descer, e à medida que vai descendo, transforma-se em energia cinética. Assim, quanto maior a massa do bebê e quanto maior a altura (posição) do carrinho mais energia estará armazenada. A energia potencial gravitacional pode ser assim escrita: Eg = m x g x h

Eg = en. gravitacional m = massa g = campo gravitacional h = altura

Equação 12

Em algumas situações que envolvam a deformação de objetos a energia também pode se acumular. A energia acumulada nestas situações é designada por energia potencial elástica, cuja expressão é: Ek = (K x x 2) / 2

John Locke,

Ek = en. elástica K = constante elástica x = deformação

Equação 13

um explorador do entendimento humano

A influência do inglês John Locke (1632-1704) costuma ser separada em três grandes áreas. Na política, ele foi o pai do liberalismo como o conhecemos hoje: é o autor de dois tratados de governo que sustentaram a implantação da monarquia parlamentarista na Inglaterra, inspiraram a Constituição dos Estados Unidos e anteciparam as ideias dos iluministas franceses. Na filosofia, construiu uma teoria do conhecimento inovadora, que investigou o modo como a mente capta e traduz o mundo exterior. Na educação, compilou uma série de preceitos sobre aprendizado e desenvolvimento com base em sua experiência de médico e preceptor, que teve grande repercussão nas classes emergentes de seu tempo. Mas essas três vertentes não são estanques. A grande e duradoura importância de Locke para a história do pensamento está no entrecruzamento de suas áreas de estudo. Assim, a defesa da liberdade individual, que ocupa lugar central na doutrina política lockiana, encontra correspondência na prioridade que ele confere, no campo da educação, ao desenvolvimento de um pensamento próprio pela criança. Suas investigações sobre o conhecimento o levaram a conceber um aprendizado coerente com sua mais famosa afirmação: a mente humana é tabula rasa, expressão latina análoga à ideia de uma tela em branco. Ferrari, 2011

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Para determinarmos a quantidade de energia mecânica (Em) associada a um objeto, devido ao seu movimento ou à sua posição, devemos considerar a soma das suas energias cinética, potencial gravitacional e potencial elástica. Nas situações em que a energia mecânica (Em) não varia ao longo do tempo, dizemos se tratar de um sistema conservativo (sistema no qual a energia mecânica se conserva). Nestes sistemas atuam somente forças conservativas e a energia potencial converte-se integralmente em energia cinética e vice-versa. De resolução simplificada, a conservação da energia mecânica no sistema conservativo pode fornecer uma excelente estimativa de valores reais, sendo de grande utilidade na resolução de inúmeros problemas da Dinâmica, sem a necessidade de uma análise detalhada das forças que agem no sistema ao longo de sua trajetória.

F o r ç a s D i s s i pat i va s Uma força conservativa pode devolver o trabalho realizado para vencê-la. Assim, a força elástica e o peso de um corpo são exemplos desse tipo de força. Por outro lado, forças não conservativas ou dissipativas, como a força de atrito cinético e a resistência do ar, não podem devolver o trabalho realizado para vencê-las, ocorrendo o que chamamos de degradação da energia mecânica.

Saia Dessa! se o conjunto carrinho e bebê, com massa de 15 kg, fosse abandonado do repouso do alto de uma rampa, cuja altura equivale a 7,2 m em relação ao ponto onde se encontrava o Sr. Locke, desprezando as forças dissipativas, qual seria a velocidade do conjunto ao encontrar o Sr. Locke? Na realidade o carrinho chegaria com uma velocidade inferior a essa que você determinou. Caso o conjunto atingisse o Sr. Locke com uma velocidade de 8 m/s, qual seria o valor da energia mecânica consumida (dissipada) pelas forças de resistência ao movimento?

A

e n e r g i a s e m p r e s e c o n s e r va !

O título parece contraditório, afinal na última situação apresentada houve perda de energia mecânica. Isso mesmo, energia mecânica! A quantidade de energia total de um sistema fechado (sistema que não interage com outros), é sempre conservada. Isto é, em todos os processos físicos as energias se convertem. Por exemplo, no caso das forças dissipativas não existe conservação da energia mecânica porque parte dela é dissipada, transformada em calor, causando aquecimento entre as superfícies em contato. No entanto a energia total, isto é, o somatório das quantidades das energias mecânica e térmica, se conserva. 70  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

Isso amplia o nosso entendimento de energia. Por exemplo, além das energias potenciais gravitacional e elástica, existem também energias potenciais elétrica, química e nuclear. A energia armazenada nos alimentos ou nos combustíveis pode ser caracterizada como uma energia potencial química. Nas embalagens dos alimentos encontramos as informações do poder calórico daquele alimento, dado na unidade “caloria alimentar”.

Saia Dessa! A caloria (cal) é uma unidade de energia muito utilizada na Física Térmica. Correspondendo a uma 4,18 J, a quantidade de 1 caloria expressa a energia necessária para variar em 1 °C a temperatura de 1 grama de água. Geralmente associadas aos alimentos, uma caloria alimentar equivale a 1000 cal (sendo, portanto, equivalente a 1 kcal). Assim, se fosse possível converter toda a energia química armazenada em um lanche em energia potencial gravitacional, a que altura seria possível elevar um objeto de 2 kg de massa? Falando em energia armazenada, reflita sobre as formas de energia envolvidas na geração de energia elétrica por usinas hidrelétricas e responda as questões: • A energia gerada em uma usina hidrelétrica pode ser armazenada? • Que condições são importantes na escolha do rio e do local para instalação da usina? No Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM) encontramos cobranças envolvendo energia sob todos os aspectos. Veja este exemplo de uma questão tratando das formas de energia: (ENEM 2005) Observe a situação descrita na tirinha abaixo: Você deve atirar mais para cima para compensar a gravidade!

T UF PL Você quer matá-lo ou acertar a maça?

Assim!?

Ufa! Ainda bem que ela chegou

É!!!

(Francisco Caruso & Luisa Daou, Tirinhas de Física, vol. 2, CBPF, Rio de Janeiro, 2000.)

Assim que o menino lança a flecha, há transformação de um tipo de energia em outra. A transformação, nesse caso, é de energia: a) potencial elástica em energia gravitacional. b) gravitacional em energia potencial. c) potencial elástica em energia cinética. d) cinética em energia potencial elástica. e) gravitacional em energia cinética. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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11

Iluminando Cidades

N

os séculos XVII e XVIII, ao mesmo tempo em que as ideias iluministas se espalhavam pela Europa, as primeiras experiências com a recém-descoberta eletricidade produziram uma série de novas descobertas e inventos. Destas experiências, talvez a mais conhecida seja o experimento da pipa de Benjamin Franklin (1706-1709), que possibilitou o desenvolvimento do estudo sobre cargas elétricas e a construção de para-raios. Além de Franklin, Gray (1666-1736), du Fay (1698-1739), Coulomb (17361806), Ampère (1775-1836), Oersted (1777-1851) e Faraday (1791-1867) são alguns dos muitos inventores e estudiosos que permitiram o desenvolvimento do eletromagnetismo. No entanto, muito antes deste período de luz, o médico da rainha Elizabeth, William Gilbert (15441603), publicou em 1600 um trabalho denominado De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Sobre os Ímãs, os Corpos Magnéticos e o Grande Ímã Terrestre) no qual explica, entre outros fenômenos, o fato das bússolas apontarem sempre para o norte da Terra, o magnetismo natural do Planeta. Além disso, Gilbert foi o primeiro a utilizar os termos pólo magnético e os termos força e atração elétrica ao tratar da eletricidade estática. A relação entre a eletricidade de Franklin, o estudo das cargas elétricas, com o magnetismo explicado por Gilbert e o estudo das propriedades relacionadas aos ímãs, só foi estabelecida em 1820 pelo físico dinamarques Hans Christian Oersted, ao perceber o desvio da agulha magnética de uma bússola quando aproximada de um condutor percorrido por uma corrente estacionária. Assim unificadas, tem origem o eletromagnetismo, cujas descrições físicas e matemáticas foram propostas por James Clerk Maxwell (18311879), e a partir de então, juntamente com a óptica, passaram a ser tratadas como visões diferentes do mesmo fenômeno físico. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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Conhecendo os resultados do trabalho de Oersted, Michael Faraday imaginou que seria possível produzir o efeito inverso do fenômeno estudado por Oersted, a produção de correntes elétricas a partir de campos magnéticos. Em 1831, Faraday conseguiu essa comprovação ao observar que uma bobina era percorrida por uma corrente elétrica temporária quanPrincípio básico de um transformador: do submetida a um campo magnético variando com o tempo. O efeito da Uma corrente i1 passa por uma bobina geração de uma corrente elétrica, denominada por corrente induzida, prode n1 espiras induzindo um fluxo magduzida pela presença de um campo magnético, foi chamado por indução nético no núcleo (material ferromagnético). Este fluxo passa por uma eletromagnética. bobina n2 gerando uma corrente i2. A descoberta da indução eletromagnética revolucionou a ciência e a sociedade, abrindo espaço para o desenvolvimento tecnológico de aparelhos elétricos, auxiliares na maioria das atividades domésticas e, com a possibilidade de produzir energia a baixos custos e em grandes quantidades, iluminar cidades!

Fr an k li n:

um sujeito de sorte

A melhor forma de proteção contra os relâmpagos, a despeito de toda a tecnologia moderna, continua sendo o primitivo pára-raiospara-raios, uma invenção do século XVIII. Não pode haver aparelho mais simples. Colocada sobre uma casa, uma haste metálica ligada a um fio condutor de eletricidade enterrado no chão será sempre a primeira parte da construção a receber o relâmpago. Primeiro, por ser de metal; segundo, por ter um fio condutor que leva a eletricidade para a terra; terceiro, por ser o ponto mais alto da casa. Bastava saber disso para se inventar o pára-raiospara-raios. Mas antes era preciso descobrir que os raios são um fenômeno elétrico. E essa foi a façanha realizada em 1752 pelo cientista americano Benjamin Franklin. Pouco antes de uma tempestade, ele empinou uma pipa em direção às nuvens, já desconfiado de que elas estivessem repletas de cargas elétricas. Com sorte e muita habilidade, conseguiu provar isso ao perceber que uma parte dessas cargas descia pelo fio da pipa. Foi ali que nasceu o pára-raiospara-raios. Franklin teve mesmo uma boa mãozinha da sorte, porque se um raio de verdade – e não as pequenas cargas que estavam se acumulando nas nuvens –, antes de se transformarem em raio –, houvesse caído no fio, ele não teria vivido para contar a história. Tempos depois, o físico russo Georg Richmann, ao tentar repetir o feito, morreu eletrocutado.

Fon & Zanchetta, 1994

SAIA DESSA! Utilizada pelos chineses desde o século X, a bússola foi um instrumento essencial para as grandes navegações e descobrimentos do século XV. Em 1600, William Gilbert explicou que a orientação da agulha magnética se deve ao fato de a Terra se

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comportar como um imenso ímã, apresentando dois polos magnéticos. Com respeito ao tema, reflita um pouco nas questões apresentadas a seguir. a) Você está perdido em uma mata, dispondo de uma bússola. Ao consultá-la, para onde o lado norte de sua agulha deve estar apontando? b) O polo norte da agulha magnética da bússola é atraído ou repelido pelo polo norte geográfico da Terra? c) Então, o polo norte geográfico da Terra é um polo norte ou um polo sul magnético? Represente na figura como deve ser o sentido das linhas de indução magnética na Terra. 02. Do ponto de vista de um observador em repouso com relação a um sistema de referência S, responda se um campo magnético pode ser gerado em cada uma das situações abaixo. ( ) pela força de interação entre duas cargas elétricas em repouso com relação a S. ( ) pelo alinhamento de dipolos magnéticos moleculares. ( ) por uma corrente elétrica percorrendo um fio condutor. ( ) por um campo elétrico cujo módulo varia em função de tempo. 03. Existe uma relação muito interessante entre as Leis de Faraday, de Ampère e de Lenz, justificada pelo Princípio da Conservação da Energia, no estabelecimento da corrente induzida. Pesquise sobre as referidas leis e tente estabelecer esta sequência de relações. 04. No texto sobre Franklin e os para-raios parece haver uma confusão entre raio e relâmpago. Pesquise, buscando as causas, do que seriam especificamente o raio, o relâmpago e o trovão.

Os

eletro dom ésticos

Carne de Sol, linguiça defumada, bacalhau seco e salgado, e presunto resfriado, todos à sua escolha e disposição a qualquer momento. Está parecendo um comercial de restaurante, não? Até poderia ser, mas o que existe de comum nos alimentos relacionados é que foram processados de diferentes maneiras, de forma a manter sua qualidade preservada por mais tempo. Antes da descoberta destas formas de conservação dos alimentos não era possível manter reservas de carne de caça e de vegetais coletados para a sobrevivência. Estas técnicas permitiram a humanidade preservar os alimentos para momentos de escassez e formaram a base para o atual nível tecnológico. Ainda muito antes das geladeiras, as residências em países de climas frios dispunham de uma casa de gelo, porões revestidos de madeira e palha para depósito do UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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gelo, para conservação dos alimentos. Quando o gelo derretia, ele era substituído por pedras de gelo retiradas do alto das montanhas. Uma das versões da invenção da geladeira conta que o primeiro destes eletrodomésticos foi produzido em 1856 por uma fábrica australiana de cervejas. Usando o princípio da compressão de vapor o equipamento refrigerava e mantinha a temperatura do produto baixa. Utilizados para facilitar algumas tarefas domésticas, os eletrodomésticos, como as geladeiras, são aparelhos elétricos que possuem funções de: limpar a casa, tratar da roupa, cozinhar e conservar os alimentos, cuidados com a estética pessoal e também entretenimento. Atualmente existe uma pressão no sentido de aumentar a eficiência energética destes produtos que a indústria lança no mercado. Os gastos excessivos e a tendência ao desperdício dividem os aparelhos em classes, de A até E, responsáveis por uma maior ou menor procura por determinados tipos de aparelhos. Essa classificação, apesar de bastante evidente nos equipamentos, depende do entendimento de alguns conceitos básicos de eletricidade. O chuveiro elétrico da figura ao lado, por exemplo, traz algumas informações muito importantes a respeito do seu funcionamento.

C o r r e n t e E l ét r i ca A corrente elétrica (i) é o fluxo ordenado de cargas elétricas, elétrons nos fios condutores metálicos, que passam a circular pelo aparelho quando ligado a uma fonte de energia elétrica, à tomada, por exemplo. A intensidade, o valor da corrente elétrica, reflete a quantidade de elétrons que entram ou saem do aparelho em um determinado intervalo de tempo.

Lâmpada Fio condutor Partícula eletrizada saindo da pilha.

corrente elétrica = quantidade de carga / intervalo de tempo

Pilha

Partícula eletrizada voltando para a pilha.

Equação 14

No sistema internacional de unidades, a quantidade de carga elétrica é expressa em coulombs e o tempo é medido em segundos, de forma que a unidade da corrente elétrica é o C/s, ou ampère (A). No chuveiro elétrico a informação 50 A serve de base para o instalador do chuveiro reconhecer o disjuntor6 e a bitola do fio necessários para tal operação. Um disjuntor de menor intensidade sempre desarmará quando este chuveiro for ligado e um fio de bitola inferior pode levar a incêndios devido ao superaquecimento da instalação. ____________________ 6 Dispositivo de proteção do circuito elétrico. Limitando a corrente elétrica até um certo valor, o disjuntor desarma em casos de correntes excessivas, protegendo a instalação elétrica e a residência de riscos depossíveis incêndios.

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T e n s ã o E l ét r i ca Para a corrente elétrica passar pelo aparelho é necessário que seja estabelecida uma diferença de potencial (ddp - U) nos seus terminais. Essa ddp pode ser fornecida por uma pilha, por exemplo, que apresenta um polo negativo, supostamente com excesso de elétrons, e um polo positivo com falta destes. Medida em volts (V), a tensão elétrica ou diferencia de potencial elétrico também pode ser explicada como a quantidade de energia gerada para movimentar uma carga elétrica. Assim, como a tensão corresponde à energia necessária para mover as cargas, uma maior tensão provocará um movimento maior de cargas, portanto uma corrente elétrica mais intensa, podendo trazer danos aos equipamentos. Variações bruscas de tensão, mesmo que sejam de milésimos de segundos, produzidas por descargas atmosféricas ou por falhas da concessionária de energia, podem resultar em correntes excessivas, suficientes para a queima de equipamentos eletroeletrônicos. O chuveiro elétrico da figura deve ser ligado a uma tomada de tensão 127 V para seu funcionamento correto, conforme as especificações técnicas.

P o t ê n c i a E l ét r i ca Os eletrodomésticos necessitam de energia elétrica para funcionar. Ao receberem essa energia elétrica, eles a transformam em outra forma de energia. No chuveiro, por exemplo, a energia elétrica é transformada em energia térmica. A potência elétrica (P) está associada à rapidez com que essa energia é transformada. Assim, quanto mais energia for transformada em um menor intervalo de tempo, maior será a potência do aparelho. Define-se potência elétrica como a razão entre a energia elétrica transformada e o intervalo de tempo dessa transformação. pôtencia elétrica = quantidade de energia / intervalo de tempo

Equação 15

No sistema internacional, a unidade de energia elétrica é o joule (J) e a unidade de potência é o watt (W), porém na prática as relações entre essas grandezas são melhores expressas pelo quilowatt.hora (kWh) para a energia e o quilowatt (kW) para a potência. Essa relação é muito importante para podermos estimar o consumo de energia elétrica de um eletrodoméstico. Tomando como exemplo o chuveiro apresentado, com uma potência de 5500 W, se ligado meia hora por dia ao longo de um mês, apresentará um consumo de energia da ordem de 82,5 kWh. Eel = P.∆T = 5,5 kW . 0,5 h . 30 dias = 82,5 kWh As grandezas apresentadas até então, Corrente Elétrica, Tensão Elétrica e Potên-

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cia Elétrica estão relacionadas pela equação: P = i.U

Equação 16

Assim, é possível afirmar que a potência de um eletrodoméstico depende da tensão em que está ligado e da corrente elétrica que o percorre. Pensando nisso, seria possível variar esta potência de forma que o aparelho gaste menos energia?

R e s i s t ê n c i a E l ét r i ca Sabendo que a potência elétrica é função da corrente e da tensão elétrica, se variarmos uma dessas grandezas provocaremos uma variação da potência do aparelho. Na maior parte das situações não temos controle sobre a tensão, pois recebemos da concessionária de energia um valor específico da mesma, 110 V e/ou 220 V. Dessa forma, fica evidente que as alterações da potência de um aparelho, quando isso é possível, ocorrem devido a uma variação na intensidade da corrente elétrica. No caso dos chuveiros e de muitos outros equipamentos elétricos, é possível, mudando uma chave de posição, fazer o aparelho “trabalhar” mais ou menos, recebendo mais ou menos corrente elétrica. Nestas situações a alteração da corrente elétrica acontece porque estamos mudando a resistência do aparelho. A resistência elétrica é uma característica do condutor em permitir com maior ou menor facilidade a passagem de corrente elétrica. Uma maior resistência implica em menor passagem de corrente elétrica, resultando em menor aquecimento. No caso dos chuveiros elétricos, a escolha adequada do material, pela indústria, a ser usado como resistor deve levar em conta a temperatura que ele deverá atingir, de forma a não derreter, também a sua capacidade de resistir à corrente elétrica. O efeito de aquecimento, obtido com tais aparelhos em função da passagem de corrente elétrica, tem o nome de efeito Joule. corrente elétrica = quantidade de carga / intervalo de tempo A relação existente entre a corrente, a tensão e a resistência elétrica denomina-se 1ª Lei de Ohm: U = R.i

Equação 17

O controle da corrente conseguido com os resistores, aparelhos com a função exclusiva de produzir calor, está relacionado ao material de que é confeccionado e da forma do condutor, definida pela espessura e comprimento. A relação destas grandezas é denominada 2ª Lei de Ohm: R = (ρ . 1) / A

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Equação 18

Onde: • R é a resistência elétrica do resistor; • r é resistência específica, ou resistividade, do material; • l é o comprimento do resistor; • A é a área de sua espessura. Do ponto de vista Mecânico existe uma analogia, denominada Força-Corrente, que procura estabelecer uma semelhança física entre algumas destas variáveis. A relação é dimensionalmente possível, pois os produtos força X velocidade e corrente X tensão resultam na mesma grandeza, a potência. Sistema Mecânico

Sistema Elétrico

Força

Corrente

Velocidade

Tensão

SAIA DESSA! 1. O esquema abaixo representa de forma simplificada um circuito elétrico de uma residência. Um gerador bifásico produz uma diferença de potencial (ddp) de 220 V entre as fases (+110 V e -110 V) e uma ddp de 110 V entre o neutro e cada uma das fases. No circuito estão ligados dois aparelhos elétricos, além de duas tomadas. Fase +

Neutro Fase -

a) As tensões de funcionamento da lâmpada e do chuveiro são iguais? b) Sendo as potências da lâmpada e do chuveiro, para as tensões que estão ligadas no circuito, respectivamente iguais a 60 W e 4400 W, qual deve ser a intensidade da corrente elétrica no fio fase negativo quando os dois aparelhos citados estiverem em funcionamento? 2. A figura ao lado mostra a resistência de um chuveiro elétrico. A corrente elétrica, que entra pelo terminal central do aparelho, deve sair à direita, posição inverno, ou à esquerda, posição verão, conforme a sua escolha no momento do banho, selecionando a chave do aparelho. Com relação a essas duas possíveis escolhas, preencha a tabela abaixo, respondendo se as grandezas são maiores ou menores em cada posição.

Ver ão

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In v

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ern o

Verão

Resistência Elétrica Corrente Elétrica Potência Elétrica Consumo de Energia Elétrica Tensão Elétrica

Inverno

3. O que acontecerá se ligarmos uma lâmpada com as inscrições “60W-110V” na tensão 220V? Por quê? 4. Caso você tenha mudado de uma cidade onde a tensão da rede domiciliar é de 220 V para outra onde só há energia sob 110 V, trazendo consigo um chuveiro elétrico com as seguintes características: 4400 W, 220 V e 20 A. Este chuveiro é instalado nesta nova cidade sem nenhuma modificação. Durante um banho, quais serão os valores da corrente elétrica e da potência deste chuveiro? O u t r a s q u e s t õ e s e n v o lv e n d o e n e r g i a , n e s t e E xa m e N ac i o n a l d o E n s i n o M é d i o (ENEM).

ca s o e n e r g i a e l ét r i ca , d o

5. (ENEM 2005) Podemos estimar o consumo de energia elétrica de uma casa considerando as principais fontes desse consumo. Pense na situação em que apenas os aparelhos que constam da tabela abaixo fossem utilizados diariamente da mesma forma. A tabela fornece a potência e o tempo efetivo de uso diário de cada aparelho doméstico. A parelho

Ar Condicionado Chuveiro Elétrico Freezer Geladeira Lâmpadas

Potência (kW) 1,5 3,3 0,2 0,35 0,10

Tempo de uso Diário (horas) 8 1/3 10 10 6

Supondo que o mês tenha 30 dias e que o custo de 1 kWh é R$ 0,40, o consumo de energia elétrica mensal dessa casa, é de aproximadamente: a) R$ 135; b) R$ 165; c) R$ 190; d) R$ 210; e) R$ 230 6. (ENEM) Lâmpadas incandescentes são normalmente projetadas para trabalhar com a tensão da rede elétrica em que serão ligadas. Em 1997, contudo, lâmpadas projetadas para funcionar com 127 V foram retiradas do mercado e, em seu lugar, colocaram-se lâmpadas concebidas para uma tensão de 120 V. Segundo dados recentes, essa substituição representou uma mudança significativa no consumo de energia elétrica para cerca de 80 milhões de brasileiros que residem nas regiões em que a tensão da

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rede é de 127 V. A tabela abaixo apresenta algumas características de duas lâmpadas de 60 W, projetadas respectivamente para 127 V (antiga) e 120 V (nova), quando ambas encontram-se ligadas numa rede de 127 V. L âmpada

(projeto original)

60 W – 127 V 60 W – 120 V

Tensão da

rede elétrica

127 V 127 V

Potência

medida (watt)

60 65

Luminosidade

medida (lúmens)

750 920

Vida útil

média (horas)

1000 452

Acender uma lâmpada de 60 W e 120 V em um local onde a tensão na tomada é de 127 V, comparativamente a uma lâmpada de 60 W e 127 V no mesmo local, tem como resultado: a) mesma potência, maior intensidade de luz e maior durabilidade. b) mesma potência, maior intensidade de luz e menor durabilidade. c) maior potência, maior intensidade de luz e maior durabilidade. d) maior potência, maior intensidade de luz e menor durabilidade. e) menor potência, menor intensidade de luz e menor durabilidade.

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No

12

fim do túnel, a luz

R

ecentemente, uma vinheta de uma televisão apresenta o mote publicitário “não são as respostas, mas as perguntas que movem o mundo”. Nada mais verdadeiro para o caso da luz, afinal a pergunta “o que é luz?” é foco dos principais objetos de investigação científica de todos os tempos. Formada por pequenas partículas, para os atomistas gregos, com a forma dos objetos, para os pitagóricos, formada por corpúsculos esféricos, para Newton, ou como uma perturbação, uma vibração no meio de propagação, como defendia uma corrente da teoria ondulatória, proposta inicialmente por Aristóteles (384-322 a.C.). Albert Einstein (1879-1955) e Leopold Infeld (1898-1968), no livro “A evolução da Física”, apresentam um debate entre dois defensores das duas correntes que se opunham: Isaac Newton, expressando as ideias da teoria corpuscular, o Senhor N e Christian Huygens (1625-1695), defendendo as ideias da teoria ondulatória, o Senhor H: “N: Na teoria corpuscular, a velocidade da luz tem um significado bem definido. É a velocidade com a qual os corpúsculos caminham no espaço vazio. Que significará ela na teoria ondulatória? H: Significa a velocidade da onda de luz, está claro. Toda onda que se conhece se espalha com alguma velocidade definida, o mesmo devendo fazer a onda de luz. N: Isso não é tão simples quanto parece. As ondas sonoras se espalham no ar, as ondas do oceano na água. Toda onda tem de ter um meio material no qual caminhe. Mas a luz atravessa o vácuo, o mesmo não se dando com o som. Supor-se uma onda no espaço vazio não é, na realidade, supor-se onda alguma. H: Sim, trata-se de uma dificuldade, embora não seja nova para mim. O meu mestre pensou nisso cuidadosamente e decidiu que a única saída é admitir-se a existência de uma substância hipotética, o éter, um meio transUAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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parente que permeia todo o universo. O universo está, por assim dizer, imerso no éter. Uma vez tenhamos a coragem de introduzir esse conceito, tudo o mais se torna claro e convincente. N: Mas faço objeção a tal suposição. Em primeiro lugar, ela introduz uma nova substância hipotética, e já temos substâncias em demasia em Física. Há ainda outra razão contra ela. Por certo você não duvida de que temos de explicar tudo em termos de mecânica. Que dizer do éter, nesse sentido? Estará você capacitado para responder à questão sobre como o éter é formado por suas partículas elementares e como ele se revela em outros fenômenos? H: Sua primeira objeção é certamente justificada. Mas, introduzindo o éter destituído de peso e algo artificial, livramo-nos imediatamente dos corpúsculos de luz, muito mais artificiais. Temos apenas uma substância “misteriosa”, em vez de um número infinito delas, correspondente ao grande número de cores do espectro. Não acha que isso seja de fato um progresso? Pelo menos todas as dificuldades são concentradas em um só ponto. Não mais necessitamos da suposição fictícia de que as partículas pertencentes a cores diferentes caminhem com a mesma velocidade no espaço vazio. O seu segundo argumento também é verdadeiro. Não podemos dar uma explicação mecânica do éter. Mas não há dúvida alguma quanto a que o estudo futuro dos fenômenos óticos e talvez de outros revelará a sua estrutura. No momento, devemos aguardar outras experiências e conclusões, mas finalmente estaremos, confio, capacitados para esclarecer o problema da estrutura mecânica do éter. N: Deixemos a questão de lado por enquanto, pois não pode ser solucionada. Eu gostaria de ver como a sua teoria explica, mesmo que desatendamos às dificuldades, os fenômenos que são tão claros e compreensíveis à luz da teoria corpuscular. Tome-se, por exemplo, o fato de os raios de luz caminharem em linha reta no vácuo ou no ar. Um pedaço de papel colocado diante de uma vela produz uma sombra distinta e precisamente esboçada na parede. As sombras nítidas não seriam possíveis se a teoria ondulatória da luz fosse correta, pois as ondas se curvariam ao redor das bordas do papel e, assim, borrariam a sombra. Uma pequena embarcação não é um obstáculo para as ondas do mar, como você sabe; elas simplesmente se curvam ao redor da mesma, não projetando uma sombra. H: Esse argumento não é convincente. Considere ondas curtas em um rio chocando-se com o lado de uma embarcação grande. As ondas que se originam em um dos lados da embarcação não serão vistas do outro lado. Se as ondas forem suficientemente pequenas e a embarcação suficientemente grande aparece uma sombra muito distinta. É bem provável que a luz parece caminhar em linha reta somente pelo fato de o seu comprimento de onda ser muito pequeno em comparação com o tamanho dos obstáculos comuns e das aberturas usadas nas experiências. Possivelmente não ocorreria sombra alguma se pudéssemos criar uma obstrução suficientemente pequena. Encontraríamos grandes dificuldades experimentais na construção de aparato que mostraria que a luz é capaz de se curvar. Não obstante, se tal experiência pudesse ser realizada, seria crucial na decisão entre a teoria ondulatória e a teoria corpuscular da luz. N: A teoria ondulatória poderá conduzir a novos fatos no futuro, mas não sei de quaisquer dados experimentais que a confirmem convincentemente. Não vejo razão alguma para não acreditar na teoria enquanto não for definitivamente provado pela experiência que a luz pode ser curvada, pois aquela teoria me parece mais simples e, portanto, melhor do que a teoria ondulatória.”

Einstein & Infeld, 2008

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As discussões sobre a natureza da luz, iniciadas com a polêmica entre Newton e Huygens, continuaram ainda por um longo tempo. Quase dois séculos após a morte de Huygens, em 1801, o físico inglês Thomas Young (1773-1829) elaborou um experimento para evidenciar a interferência da luz. Assim comprovada, a interferência luminosa, um fenômeno ondulatório, deixou claro a natureza ondulatória da luz, fazendo a concepção de Huygens vitoriosa. No entanto, a vitória não foi definitiva, pois em 1905 Einstein levantou a hipótese de que a luz poderia ser formada por pequenos “pacotes” de energia, os fótons. Esta hipótese para a natureza da luz foi comprovada em 1914 por Robert Millikan (18681953), que demonstrou que em alguns experimentos a luz se comporta como constituída de partículas. A questão ainda não está totalmente resolvida. As duas teorias sobre a natureza da luz, que pareciam incompatíveis entre si, acabaram por se combinar sem contradições numa nova teoria, a eletrodinâmica quântica. Acredita-se hoje no comportamento dual da luz, ou seja, em alguns fenômenos ela se comporta como onda e, em outros, como partícula. Saia Dessa! 1. Ao final do debate, o Senhor N parece desconhecer o fenômeno do contorno de um obstáculo por uma onda, fenômeno que justificaria a teoria ondulatória. Que fenômeno é esse? Quais são as suas características? Então, por que parece não funcionar para as ondas luminosas? 2. Em 1997, Gilberto Gil lançou o disco Quanta, cuja música que dá nome ao álbum foi uma homenagem ao Físico brasileiro César Lattes, fundador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) e responsável pela comprovação da existência de uma partícula subatômica, o méson pi. Antes do lançamento do disco, Gil enviou uma carta para Lattes com uma cópia das músicas. Lattes em resposta, também via carta, agradece a atenção do cantor e reconhece não ter os conhecimentos musicais que permitiriam uma apreciação à altura das músicas enviadas, no entanto, sugere algumas correções em conceitos físicos usados, segundo Lattes, de maneira inapropriada. Caso você não tenha o disco, que traz a integra da carta, pesquise o que significam os termos grifados por Lattes.

Q u a n ta Quanta do latim Plural de quantum Quando quase não há Quantidade que se medir Qualidade que se expressar Fragmento infinitésimo

Levando o veleiro pro mar Vento de calor De pensamento em chamas Inspiração Arte de criar o saber Arte, descoberta, invenção

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Quase que apenas mental Quantum granulado no mel Quantum ondulado no sal Mel de urânio, sal de rádio Qualquer coisa quase ideal Cântico dos cânticos Quântico dos quânticos Canto de louvor De amor ao vento Vento arte do ar Balançando o corpo da flor

Teoria em grego quer dizer O ser em contemplação Cântico dos cânticos Quântico dos quânticos Sei que a arte é irmã da ciência Ambas filhas de um Deus fugaz Que faz num momento E no mesmo momento desfaz Esse vago Deus por trás do mundo Por detrás do detrás Cântico dos cânticos Quântico dos quânticos

3. Ainda com relação à letra da música, o que sugere a passagem abaixo? Quantum granulado no mel Quantum ondulado no sal Mel de urânio, sal de rádio

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Sobre

a ó p t i ca d o

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Sr. New ton

C

om este título Voltaire abre a 16ª carta do livro Cartas Filosóficas, publicado na Inglaterra numa edição francesa e numa tradução inglesa. Nestas cartas, sem um destinatário específico, Voltaire apresenta uma série de curtos ensaios sobre realidades inglesas: política, religião, economia, literatura e ciências. Destes ensaios, em seis deles encontramos um Voltaire entusiasmado com os avanços da ciência, como quando descreve as ideias de Opticks de Newton: O que Newton descobriu sobre a luz é digno de tudo o que a curiosidade dos homens poderia esperar de mais ousado, depois de tantas novidades. Até Antonio de Dominis, o arco-íris parecera um milagre inexplicável; esse filósofo adivinhou que era um efeito necessário da chuva e do Sol. Descartes tornou seu nome imortal pela explicação matemática desse fenômeno tão natural; ele calculou as reflexões da luz nas gotas de chuva e essa sagacidade teve algo de divino.

Voltaire, 2001

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Todavia, em todas as cartas, mesmo naquelas que discute assuntos de ciência, Voltaire com sua visão perspicaz de filósofo contrapõe a sua França, estagnada e com uma monarquia prepotente e intolerante, com a Inglaterra tolerante, liberal e cheia de vitalidade. Admirador e divulgador do newtonianismo, Voltaire defendia essa corrente como uma portadora da verdade, aliada da causa iluminista. Para ele era importante pôr a nova ciência ao alcance dos que se encontravam longe das academias científicas. Assim, frequentemente usou suas obras para criticar os reis absolutistas e os privilégios do clero e da nobreza do seu tempo. Por essa razão, a sua obra, inicialmente publicada sob o nome de Cartas Inglesas, foi censurada em sua terra natal.

A QUEDA DA MAÇÃ No livro Élements de Philosophie de Newton, publicado em 1738, para divulgar na França a obra de Newton, Voltaire conta que uma sobrinha de Newton, Catherine Barton, que se tornou madame John Conduitt, mulher de beleza surpreendente e perspicácia incomum, com quem Voltaire parece haver tido um caso amoroso, foi quem lhe deu a informação de que a ideia de Newton sobre a atração universal lhe foi sugerida pela queda de uma fruta em sua fazenda. Aliás, é oportuno registrar que a matemática, física e filósofa francesa Gabrielle-Émilie Le Tonnelier de Breteuil, a Marquesa/Madame Du Châtelet, amante de Voltaire e que traduziu o Principia, escreveu um livro no qual divulgou Newton para as madames.

Bassalo, 2011

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Fe n ô m e n o s Ó p t i co s

C

omo na mecânica, também em óptica a primeira teoria digna desse nome foi formulada por Newton, que em 1704 publicou em inglês a importante obra intitulada Opticks. Essa teoria assume que a luz consiste de feixes de partículas, que se propagam segundo as leis da mecânica. Assim constituída, esse ramo da Física, a óptica, o estudo dos fenômenos luminosos, procura explicar a propagação da luz através de um meio e como a luz interage ao atingir uma superfície. No caso da propagação da luz, algumas superfícies podem ser atravessadas pela luz, o vidro comum e o plástico transparente, são exemplos destes materiais transparentes à luz. Existem outras superfícies em que a luz também consegue penetrar, porém no seu interior a trajetória da luz não é regular, de forma que não favorecem uma visualização nítida de imagens através deles, são os materiais translúcidos, como o vidro fosco e o papel vegetal. Os materiais que não são atravessados pela luz e que por causa disso não enxergamos através deles são conhecidos como materiais opacos, como a porta de madeira, o concreto e o ferro. a)

b)

c) Trajetória da luz em cada meio de propagação. a) meio transparente, b) meio translúcido e c) meio opaco

Em relação à interação com uma superfície, quando um feixe de luz atinge uma dada superfície podem acontecer, simultaneamente, os fenômenos: reflexão (vermelho, absorção (azul) e refração (amarelo). A intensidade com que os fenômenos ocorrem depende do material e da superfície. Em uma superfície lisa e polida a reflexão da luz irá prevalecer sobre a absorção e a refração, por exemplo.

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A radiação solar que chegar até uma superfície tem uma parte refletida (R), outra parte transmitida (T) e a restante absorvida pela superfície (A), de forma que a soma das partes em que se divide a energia incidente “I” é igual a: I=A+R+T

Equação 19

Sendo: • I = Total da radiação solar, direta e difusa, incidente na superfície da Terra; • A = Parte da radiação solar incidente na superfície da Terra que é absorvida por esta; • R = Parte da radiação solar incidente na superfície da Terra que é refletida por esta; • T = Parte da radiação solar incidente na superfície da Terra que é transmitida por esta. Na equação 19, se dividirmos todos os termos pela radiação incidente “I”, encontraremos os percentuais que serão absorvidos (a), refletidos (r) e transmitidos (t). 1 = (A/I) + (R/I) + (T/I) 1=α+ρ+‫ז‬

Equação 20

Esses percentuais da Equação 20 são conhecidos por coeficientes ópticos, sendo: • α = Coeficiente de absorção; • ρ = Coeficiente de reflexão; • ‫ = ז‬Coeficiente de transmissão.

a)

b)

A reflexão da luz é um dos fenômenos mais comuns envolvendo a interação da luz com uma superfície. A reflexão ocorre quando a luz incide sobre a superfície de separação entre dois meios com propriedades distintas. A reflexão ocorre quando os raios de luz voltam para o mesmo meio de onde vieram. Se a superfície de separação entre os dois meios for plana e polida, então a um feixe incidente de raios luminosos paralelos corresponderá um feixe refletido de raios luminosos igualmente paralelos. A reflexão nesse caso será denominada de regular (a). Se a superfície de separação apresentar rugosidades, a reflexão será difusa (b). A luz será espalhada em todas as direções. A maior parte dos objetos reflete a luz de uma maneira difusa, o que nos permite vê-los de qualquer posição que nos situarmos em relação a eles. Os espelhos, planos ou esféricos, se utilizam da reflexão da luz para a formação de imagens. A refração ocorre quando a luz incide em uma superfície e uma parte dessa onda luminosa atravessa, mudando de meio de propagação. Ocorre refração, por exemplo, quando a luz proveniente do fundo da piscina incide na superfície livre da água e atravessa em direção ao ar, permitindo a uma pessoa fora da piscina, ver o fundo desta.

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Na absorção, parte da luz que atinge a superfície é absorvida por esta, sendo transformada em outro tipo de energia. Diferentes materiais absorvem luz de forma diferente e por isso vemos objetos das mais variadas cores. Experiências realizadas por Newton mostraram que a luz branca é uma mistura de todas as cores do espectro eletromagnético. Assim, quando iluEspectro eletromagnético minado por luz branca, um corpo vermelho, por exemplo, reflete princiem um prisma palmente o vermelho, absorvendo as outras cores. A cor de um objeto percebida pelos nossos olhos depende da luz refletida por este. Da mesma forma, um corpo parece branco quando reflete todas as cores e um corpo tem cor preta quando absorve toda a luz que incide sobre ele, isto é, quando não reflete nenhuma das ondas eletromagnéticas do espectro visível. A cor do objeto percebida pelos olhos também depende da luz que o ilumina. Um corpo verde, quando iluminado por luz branca, absorve todas as cores, exceto a radiação verde, que é refletida. Se esse corpo for iluminado por luz monocromática amarela, por exemplo, ele será visto como um objeto preto, pois o amarelo é absorvido e não há verde para ser refletido. Leia as questões e procure refletir sobre alguns conceitos de óptica: 1. O que acontece com a luz quando ela encontra um espelho? 2. Como ocorre o processo de formação de imagens em um espelho? 3. O que acontece com a luz quando ela consegue vencer e atravessar um meio? 4. Então, como você explicaria a formação do arco-íris?

A A p o s ta

de

P a s ca l

Voltando às Cartas Filosóficas, esta obra suscitou um escândalo devido à última carta intitulada Sobre os pensamentos do Sr. Pascal. A carta criara tal rebuliço pelo fato de que, para Voltaire, Pascal era o maior grande apologista da religião cristã da França. Pascal, um sujeito livresco e maçante, envolveu-se em questões ligadas ao mundo mundano das apostas após seguir estoicamente as prescrições dos médicos. Pascal tinha ataques intermitentes de dores de barriga, com dificuldades para engolir e manter a comida no estômago. Ao buscar tratamento em Paris, a junta médica lhe prescreveu o tratamento mais moderno da época: Pascal “deveria evitar todo o trabalho mental continuado, devendo buscar ao máximo qualquer oportunidade de se distrair”. E assim, ele aprendeu a descansar e relaxar, passando tempo na companhia de outros jovens abastados que viviam de renda. Então, em 1651, seu pai morreu e Pascal se viu subitamente com vinte e poucos anos e uma herança. Ele fez bom uso do dinheiro, ao menos no que diz respeito às prescrições dos médicos. Entretanto, o mundo dos jogos de azar favoreceu a Pascal a fundar a dis-

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ciplina matemática conhecida como teoria dos jogos, o estudo quantitativo das estratégias decisórias ideais nos jogos, criando a esperança matemática, método de pesar estes prós e contras, um importante conceito, não só nos jogos de azar como na tomada de decisões. A esperança matemática é obtida pelo produto da probabilidade de vencer um jogo pelo montante pago, o prêmio. Por exemplo, em um jogo de um dado não viciado, onde sua probabilidade de acerto é de 1/6, se o prêmio for de R$ 12,00, a esperança matemática é de R$ 2,00. Assim, se o custo do jogo for inferior a R$ 2,00 é vantajoso para você entrar nesse tipo de aposta. Em 23 de novembro de 1654, Pascal teve uma intensa experiência religiosa. A partir dessa experiência, Pascal teve sua fé e comprometimento religioso renovados, e quase imediatamente após esse evento, iniciou a redação de sua primeira importante obra religiosa, as “Cartas Provinciais”. Utilizando seus conhecimentos sobre jogos, Pascal fez uma análise pormenorizada dos prós e dos contras do dever para com Deus como se estivesse a calcular matematicamente a sensatez de uma aposta. O raciocínio de Pascal era o seguinte: admitamos que não sabemos se Deus existe ou não e, por conseguinte, atribuamos uma probabilidade de 50% para cada uma das proposições. Como pesar esta probabilidade na decisão de levar ou não uma vida piedosa? Se vivermos piedosamente e Deus existir, argumentava Pascal, o nosso ganho – a felicidade eterna – é infinito. Se, por outro lado, Deus não existir, a nossa perda ou lucro negativo, é pequena – os sacrifícios da piedade. Pascal sabia o suficiente sobre o infinito para saber que a resposta deste cálculo era infinito, pelo que o lucro esperado com a piedade é infinitamente positivo. E assim, concluiu Pascal, qualquer pessoa sensata deve seguir as leis de Deus. Hoje, chama-se a este argumento a aposta de Pascal. Nesta carta Voltaire reconhece o “grande gênio” de Pascal e ataca o pessimismo, as bases da verdadeira religião e ainda crítica a famosa aposta de Pascal, segundo a qual “como é preciso apostar, então é racional apostar que Deus existe, pois, se se vence, ganhamos tudo, mas, se se perde, não se perde nada”. MLODINOW, 2009

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O Conhecimento em Biologia no Iluminismo

G

randes descobertas foram feitas e importantes técnicas para as Ciências Naturais foram desenvolvidas durante o século XVIII. Por exemplo, o conhecimento da vida microscópica e da estrutura celular começou a ser estabelecido no século das luzes, embora todas as formas de vida tenham sido objeto de interesse dos cientistas daquele período. Havia uma grande necessidade em descrever, comparar e classificar os organismos (Mayr, 1998), fossem micro ou macroscópicos. Em nossos dias, desde muito cedo temos uma noção da estrutura das células. Há materiais didáticos que trazem informações sobre a célula já nas séries iniciais do ensino fundamental. Entretanto, nem sempre foi assim e não é difícil imaginar que para chegar onde estamos hoje um instrumento teve que ser criado e aperfeiçoado: o microscópio (figuras abaixo). Microscópio antigo, similar a aquele utilizado por Robert Hooke. No detalhe, uma representação do material observado (tecido vegetal).

Microscópio eletrônico. Neste a tecnologia não é a de um sistema de lentes. O material aqui é “atravessado” por feixes de elétrons, que comporão a imagem. Naturalmente, tal instrumento não existia no século XVIII. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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Os livros de história creditam aos holandeses Hans e Zacharias Janssen, pai e filho, a invenção do primeiro microscópio, por volta de 1590. Mais tarde, tal instrumento foi conhecido pelo mercador de tecidos, também holandês, Anton Van Leeuwenhoek (1632 – 1723), que o aperfeiçoou através de meticuloso polimento de lentes. Leeuwenhoek, além de empregar o novo instrumento na avaliação da qualidade dos tecidos que comercializava, começou a utilizá-lo para a observação de numerosos itens, tais como água de aquário, sujeira de dentes, poeira, sêmen e comida estragada. O senhor Leeuwenhoek era muito atento e costumava registrar em desenhos as suas observações. Ele afirmava que em muitas amostras vistas ao microscópio era possível registrar a presença de pequeninas criaturas, que muitas vezes se moviam e que ele chamou inicialmente de “animálculos”, ou seja, Anton Van Leeuwenhoek (1632 – 1723), o holandês que pequenos animais. Hoje sabemos tratar-se de protozoários, bactérias e fungos. empregou o microscópio para Tais registros são um marco histórico importantíssimo na história da Biologia: a observação e registro de formas de vida microscópicas. pela primeira vez a vida microbiológica havia sido registrada (Pelczar et al., 1996). Ficou comprovado que o olho humano não é capaz de perceber todas as formas de vida. Os registros do mercador de tecidos interessaram especialmente à corte britânica e a própria rainha da Inglaterra pediu para Leeuwenhoek visitá-la e levar suas anotações. Tal material também foi enviado à British Royal Society, a mais importante sociedade de cientistas naquele tempo. Deu-se início, então, a uma extensa prática de observação dos mais variados materiais ao microscópio e a discussões sobre a origem daquelas diminutas formas de vida. Por serem encontrados micróbios em materiais inanimados, acreditava-se, naquele período, na Geração Espontânea da Vida, segundo a qual as formas de vida podem ser geradas a partir de coisas sem vida. Curioso é que havia até receitas de como produzir minhocas, ratos, larvas, etc., a partir de terra, objetos velhos e alimentos estragados. “Junte trapos velhos, amontoe-os em um local sujo e sem luminosidade, ao final verá ratos”. A teoria contrária, a da Biogênese (vida gerada a partir de vida pré-existente), era defendida por alguns cientistas daquele período, mas só veio a ser comprovada no século XIX, por meio dos trabalhos de Louis Pasteur (Pelczar et al., 1996). Até lá, intensos debates aconteceram entre os cientistas e os adeptos de cada uma das teorias. Após os Janssen e antes de Leeuwenhoek, o cientista inglês Robert Hooke (1635 – 1703) também observou ao microscópio e registrou, em detalhados desenhos, pedaços de animais e vegetais. Em muitos livros encontramos o nome de Hooke associado à invenção do microscópio, no ano de 1665. Hooke talvez tenha sido o primeiro a utilizar o microscópio com um esquema composto de lentes, uma ocular e outras objetivas, o que amplia a capacidade de aumento do aparelho. Ele pode ser considerado inventor do microscópio composto, diferente do aparelho simples criado pelos Janssen. Entretanto, para a Biologia, é o nome de Anton Van Leeuwenhoek o mais significativo (Pelczar et al., 1996), pois ele inaugurou a observação dos microrganismos. A Citologia (ciência que estuda as células de todos os organismos vivos, sejam uni ou pluricelulares) e a Microbiologia (ciência que estuda os microrganismos) tiveram suas bases lançadas no século XVIII. 94  | Ciências Naturais e Matemática | UAB

Um estudante de Biologia ou História Natural hoje pode avaliar o quão fundamentais são a Citologia e Microbiologia para a compreensão da vida, em seus aspectos morfológico, fisiológico e ecológico. Porém, resultam também como produto do período iluminista, outros temas essenciais ao estudo da vida: Sistemas de Classificação e Evolução. Tais temas são tão densos e importantes para o propósito da formação do licenciado em Ciências Naturais, que mereceram ser tratados em tópicos separados e ligados aos seus primeiros criadores: Lineu e Lamarck, respectivamente.

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16

o

Carolus Linnaeus, organiz ador da Biodiversidade

L

ineu nasceu na Suécia, em 1707, como Carl Linné. Mais tarde, ao tornar-se cientista famoso, passou a assinar seu nome na forma latinizada, já que o latim era o idioma culto de sua época. Carolus Linnaeus é conhecido como o “pai da Taxonomia”. Na história das Ciências Naturais, seu sistema de classificação constitui o primeiro esforço consistente e funcional para a organização dos seres vivos e é amplamente utilizado até hoje, embora com muitas adaptações. Sua obra e pensamento influenciaram gerações de naturalistas e biólogos. Em nenhum outro momento da história a obra de Lineu foi tão contestada como em nossos dias. Os taxonomistas da atualidade questionam se os grupos inicialmente formados por Lineu são genuínos, ou seja, se retratam as verdadeiras relações de parentesco (leia-se aqui: relações evolutivas). Também é questionado hoje se todas as espécies teriam “parentes” sempre nos mesmos graus, o que significa dizer que todos preencheriam os sete níveis hierárquicos (espécie, gênero, família, ordem, classe, filo e reino) do sisUAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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C l a s s i f i ca ç ã o c i e n t í f i ca Fe i j o e i r o

do

Reino

Plantae

Divisão

Magnoliophyta

Classe

Magnoliopsida

Ordem

Fabales

Família

Fabaceae

Subfamília

Faboideae

Espécie

P. vulgaris

Género

Nome binomial C l a s s i f i ca ç ã o

Phaseolus

Phaseolus vulgaris c i e n t í f i ca d o

Boi

Reino

Animalia

Divisão

Chordata

Classe

Mammalia

Ordem

Artiodactyla

Subfamília

Bovinae

Espécie

B. taurus

Família Género

Nome binomial

Bovidae Bos

Bos taurus taurus Bos taurus indicus

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tema. Para consolidar a ideia dos níveis hierárquicos, observe as figuras ao lado, onde organismos muito conhecidos, o feijoeiro e o boi, são apresentados em um esquema lineano de classificação, devidamente conferido. Os pesquisadores da atualidade possuem argumentos fortes em sua crítica, impossíveis de serem acessados no momento histórico do nosso famoso cientista. Hoje em dia, a Biologia Molecular, a Genética e o conhecimento em Paleontologia sustentam, de forma bastante segura, os questionamentos daqueles que enxergam falhas no Systema Naturae, conhecido também como Sistema Lineano de Classificação. Talvez a elaboração do Systema Naturae tenha raízes na infância de seu criador. Relata-se que desde pequeno Lineu mostrava grande interesse por plantas e seus nomes. Porém, tempos depois, a carreira por ele escolhida foi a Medicina e, em 1727, ele ingressava na faculdade. Parte de seu curso foi realizada na universidade de Uppsala, uma das mais prestigiadas de seu país naquele período. Lineu empregava Feijoeiro, classificado segundo o sistema proposto por Lineu. Note que, para as plantas, Divisão é o táxon correspondente a Filo para os animais

grande parte de seu tempo coletando e estudando plantas (vale a pena lembrar que Botânica era componente curricular dos cursos de Medicina daquela época). Podemos entender isso facilmente ao lembrar as propriedades medicinais de muitas plantas e que, lá nos idos do século XVIII, não existia esta imensa quantidade de fármacos industrializados que temos hoje. Lineu, desde os tempos da faculdade, organizou expedições botânicas em seu país. Quanto mais plantas e animais novos ele conhecia, mais sentia a necessidade de um sistema de organização e, então, começou a esquematizar suas ideias para resolver este problema. Em 1735 ele se mudou para a Holanda, onde continuou seus estudos. No mesmo ano ele publicou sua obra sobre classificação dos seres vivos, o Systema Naturae. A partir desta publicação, com grande repercussão na Europa daquele período, Lineu conheceu naturalistas importantes, principalmente botânicos e, a partir da troca de ideias com estes estudiosos, pôde aperfeiçoar seu sistema, publicado em várias edições. Em 1738 retornou à Suécia e atuou como médico e professor na universidade de Uppsala, onde restaurou o Jardim Botânico de acordo com o sistema por ele criado. Mais expedições foram organizadas junto aos alunos da universidade e muitos se tornaram “discípulos” de Lineu. Mais tarde, um deles, Daniel Solander, foi o naturalista (o Boi/vaca, o gado bovino de criação, classificado segundo o sistema proposto por Lineu. Note que, para os animais, Filo é o táxon correspondente a Divisão para as plantas

biólogo daquela época) na famosa viagem de descoberta da Austrália, capitaneada por James Cook. Outros de seus alunos visitaram o novo continente americano, a Ásia, a África, o Oriente Médio e estudaram as plantas do lugar. Desta forma, plantas jamais vistas no continente europeu chegaram às mãos de Lineu para que fossem nomeadas e classificadas. Embora a inspiração e interesse especial de Lineu tenham sido por plantas, o Sistema Lineano de Classificação aplicava-se também aos animais. Vale lembrar que na Europa do período “das Luzes” havia grandes colecionadores de plantas secas (herborizadas) e animais empalhados trazidos das terras colonizadas ou das rotas comerciais. As imensas coleções, iniciadas no período das Grandes Navegações, careciam de um sistema para organizá-las. A criação de Lineu caiu como uma luva para elas! Cada novo exemplar que chegava às mãos daquele naturalista, planta ou animal, ele atribuía um nome, seguindo a regra binomial de nomenclatura, e procurava estabelecer as relações de parentesco entre aquela espécie e as demais já registradas em seu sistema. Por ordem de semelhança, espécies eram agrupadas em gênero. Gêneros semelhantes formavam uma família e assim progressivamente até compor as categorias de ordem, classe, filo e reino. Note que, para Lineu, todas as espécies encaixam-se neste esquema, e possuem, numa linguagem figurada, parentes organizados em uma hierarquia que vai dos mais semelhantes, os componentes da mesma espécie, até os mais distantes, os membros de um reino. Cada uma destas categorias, desde espécie até reino, é um nível taxonômico. O apogeu da classificação dos organismos foi atingido por Lineu (Mayr, 1998). Imagine-se diante de uma imensa coleção de plantas, as mais diferentes que você já viu. O desafio é agrupá-las de acordo com suas semelhanças. Os grupos mais parecidos são gêneros. O segundo nível de agrupamento forma as famílias. Quais características das plantas você escolheria para a composição dos grupos? Qual seria o seu critério? Lineu era tão orgulhoso de seu feito, de seu esquema criativo, que é dele mesmo a frase: “Deus fez, Lineu organizou” (Buckeridge, 2008). Agora, avalie se realmente é possível toda a diversidade conhecida, e também a que ainda não conhecemos, encaixar-se no mesmo esquema de classificação e possuir “parentes” com os mesmos graus de relação. Seria possível? Este questionamento é uma das discussões mais atuais em Biologia! Lineu revisou e complementou diverCu r i osi dade sas vezes a sua obra, que foi tomando, com Um traço mencionado a respeito da persoo tempo, grandes proporções. O que comenalidade de Lineu revela sua pouca modéstia. çou como um folheto tornou-se uma obra É dele a frase: “Deus fez, Lineu organizou”. de muitos volumes e ele também acumulou grande quantidade de plantas herborizadas e animais empalhados. Em 1758 ele construiu um pequeno museu para abrigar suas coleções, livros e manuscritos. Anos após a sua morte, ocorrida em 1778, a família de Lineu vendeu esse pequeno museu, um verdadeiro tesouro para a história das Ciências Biológicas, a um nobre historiador naUAB| Ciências Naturais e Matemática | Desenvolvendo Conceitos Matemáticos: Aritmética | 

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tural inglês, Sir James Edward Smith, que fundou a Linnean Society of London para cuidar dos preciosos pertences de Lineu. Essa sociedade cresceu e hoje é uma grande referência para estudos em Biologia. Você pode conhecer um pouco mais sobre essa importante organização científica, caso domine um pouco de língua inglesa, através do endereço eletrônico http://www.linnean.org/. Ali é possível fazer um tour virtual e conhecer as coleções do nosso respeitado cientista do século XVIII.

As

ideias e a obra de

Lineu

Sabemos hoje que a Evolução, especificamente a Teoria Evolucionista de Darwin-Wallace, embasa o pensamento biológico. Porém, esta teoria foi consolidada apenas em 1859, após o período do Iluminismo, com a publicação do livro “A Origem das Espécies”, por Charles Darwin. O que será que Lineu, o mais extraordinário taxonomista de todos os tempos (Barroso et al. 2002), pensava a respeito do surgimento das espécies e da evolução? Alguns estudiosos atuais da história e filosofia da ciência, como Mayr (1998), enxergam Lineu apenas como um produto de seu tempo e não como um brilhante cientista, como mencionado por Barroso e suas colaboradoras (2002). Sendo um autêntico cidadão europeu do século das luzes, Lineu tinha a Teologia Natural como um direcionador dos seus pensamentos científicos. Essa escola de pensamento, iniciada muito antes, lá com os filósofos gregos de antes de Cristo, afirma ser possível conhecer o Criador através de Sua criação. Será que Lineu se sentia próximo de Deus quando estudava a natureza? Na última edição do Systema Naturae, está registrado no prefácio: Creationis telluris est gloria Dei ex opere Naturae per Hominem solum – A criação da Terra é a glória de Deus, tal como o homem somente o vê pelas obras da natureza (tradução extraída de: http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/carl-von-linne/carl-von-linne-2.php). Assim, Lineu acreditava que o estudo da natureza revelaria a Divina Ordem da Criação e que o estabelecimento de uma classificação natural revelaria essa Ordem. O ponto de partida para a proposição de tal sistema de classificação, revelador da natureza divina, foi o interesse de Lineu pelas plantas e seus esquemas de reprodução. Para ele, seria possível distribuir todas as plantas em 24 classes, tomando como critério o número de estames e sua posição na flor. Os estames compõem o órgão reprodutivo masculino da planta, eles produzem e liberam pólen. Relembre a morfologia floral através da figura abaixo. Carpeios Estame Pétala Sépala Receptáculo floral

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Pedúnculo floral

Modelo de flor unissexuada, com androceu (órgão reprodutivo masculino) e gineceu (órgão reprodutivo feminino), constituído pelo conjunto de carpelos.

A divisão das classes em ordens era determinada pelo número de estiletes do ovário, componentes do órgão reprodutivo feminino das plantas com flor. Por esta fundamentação, também conhecemos o Sistema de Classificação de Lineu como Sistema Sexual. O Sistema Sexual resultou na formação de muitos grupos já naquela época combatidos por serem entendidos como não naturais. Um exemplo disto é a classe Monoecia, que abriga plantas cujas flores de sexos separados encontram-se no mesmo indivíduo. Nesta classe há a ordem Monadelphia, com múltiplos órgãos masculinos partindo de uma mesma base floral. Tal ordem incluía plantas muito diferentes, como os pinheiros (gimnospermas) e o milho (angiosperma)! Mesmo os botânicos do período iluminista já desconfiavam que o sistema sexual de classificação não tivesse adotado um bom critério para o agrupamento das plantas. Um grande mérito que este sistema teve foi a promoção de avanços nos estudos da biologia reprodutiva dos vegetais. O sistema de classificação sexual, proposto por Lineu, era fácil de compreender – pois se baseava na estrutura mais carismática da planta, a flor – e já provocava controvérsias em seu tempo. Alguns críticos apontavam o fato de uma só característica, a sexual/reprodutiva, ser responsável pela formação de grupos inteiros que, já naquele período suspeitava-se terminar na formação de grupos não naturais. Mais tarde, os taxonomistas de plantas seguiriam amplamente a prática adotada por John Ray (16271705), um naturalista inglês do início do período iluminista, que considerava múltiplas características morfológicas, de todas as partes das plantas, ao classificar uma espécie. Porém, mesmo seguindo a linha de John Ray na escolha de quantos e quais critérios eram empregados na classificação, o esquema classificatório hierárquico foi mantido e amplamente utilizado até os nossos dias. Podemos fazer uma analogia dizendo que a principal criação de Lineu foi um “armário” para organizar a biodiversidade. As regras que decidem para qual “gaveta” uma espécie vai, estas tem mudado com o tempo e a própria regra do sistema sexual não durou muito. Já o armário... Características compartilhadas (ou similaridades compartilhadas) é o termo correto para isso que acabamos de mencionar como ‘critérios empregados na classificação’ ou ‘a regra que decide para qual gaveta uma espécie é destinada’. Elas devem revelar parentescos verdadeiros, ou seja, relações evolutiva. Qual ou quais as similaridades compartilhadas por todos os indivíduos que pertencem à espécie Bos taurus L.? Ao gênero Bos? À família Bovidae? À ordem Artiodactyla? À Classe Mammalia? Ao filo Chordata? E ao reino Animalia?

Temos laços evolutivos? Com qual animal eu compartilho mais similaridades?

A similaridade compartilhada sempre foi preocupação dos biólogos. Como agrupar animais por grau de semelhança, de maneira que isto representasse os verdadeiros elos da evolução?

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A determinação das características compartilhadas em um sistema de classificação é validada pela capacidade de formar grupos naturais. Porém, elas mudaram muito ao longo do tempo. Embora estejamos em um momento de grandes questionamentos em relação à Taxonomia, uma boa notícia é que a tendência é a estabilidade, tanto de um novo sistema que venha a ser proposto, quanto dos conjuntos de similaridades compartilhadas para cada grupo de organismos. Isto ocorre em função das técnicas de que dispomos hoje em dia e do conhecimento, relativamente seguro, provido pela Genética e pela Biologia Molecular.

E, por fim , a regra de nomenclatura binomial Outra prática adotada por Lineu e que facilitou a vida dos naturalistas foi a adoção da nomenclatura binomial numa época em que havia nomes bastante longos, criados para diferenciar as espécies nativas, as europeias, daquelas ditas “exóticas”, trazidas das novas terras recém-descobertas, como as australianas, por exemplo. Veja só os nomes encontrados para uma roseira branca e vermelha, de folhas largas, atribuídos por dois botânicos diferentes: Rosa sylvestris alba cum rubore, folio glabro e Rosa sylvestris inodora seu canina. Seria muito trabalhoso atribuir nomes às espécies seguindo esta lógica e a regra praticada por Lineu (não foi ele o criador da nomenclatura binomial) simplificou a vida dos naturalistas atuantes na Taxonomia. No exemplo acima citado, Lineu suporia tratar-se de uma única espécie, por isso o nome por ele adotado seria apenas Rosa sylvestris. Em uma das edições do Systema Naturae ele registrou o nome para a tal rosa como Rosa canina L. Além do mais, como já dissemos, naquela época as coleções de organismos cresciam vertiginosamente na Europa e careciam de um sistema simples de organização. Eis uma das razões para o grande sucesso e aceitação do sistema lineano, simples e organizador. Você conhece o Ipê amarelo, uma bonita árvore de flores cor de Sol? Na verdade, existem muitas árvores com flores amarelas, de espécies diferentes, que são chamadas popularmente por ipês. Então, para resolver o problema do nome popular, vamos ao nome científico: a espécie em questão é a Tabebuia serratifolia. Dê uma espiada na beleza desta planta na figura ao lado. Observe a legenda da figura, ela contém uma pequena história. Este ipê amarelo, típico de áreas de cerrado úmido ou florestas de transição, teve seu nome científico oficializado pela primeira vez em 1887, pelo pesquisador George Nicholson. Naquele tempo, os meios de comunicação não tinham a rapidez e a acessibilidade que tem hoje e houve outros pesquisadores que registraram a mesma espécie de ipê, depois de George Nicholson, usando Tabebuia serratifolia nomes um pouco diferentes. Estes nomes posteriores não são válidos, embora (Vahl) G. Nicholson 1887. todos eles tenham utilizado a regra de nomenclatura binomial, popularizada após os trabalhos de Lineu.

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Como adotamos, desde o período iluminista, o sistema binomial de nomenclatura, tomamos como ponto de referência para nomes de plantas o Species Plantarum, obra de Lineu de 1753, e para animais o Systema Naturae, obra de 1758. Veja como foi registrado o nome científico completo da rosa, nos Species Plantarum: Rosa canina L. 1753. A regra binomial de nomenclatura não está ameaçada em nossos dias. Atualmente, as novas descobertas sobre parentescos evolutivos entre as espécies colocam em “xeque” as categorias taxonômicas fixas (o armário, lembra-se?). Afinal, o que se comprova, é que nem todos os organismos possuem parentes nos mesmos graus e compartilham similaridades a ponto de compor, sempre, as sete categorias taxonômicas. Recentemente, um importante instituto de pesquisa, o Smithsonian Reseach Institute, tem promovido reuniões entre os maiores taxonomistas da atualidade para discutir a validade do sistema de Lineu. Isto agitou o meio da Biologia e promete discussão suficiente para uma nova reviravolta nos sistemas de classificação. No início de sua vida científica, Lineu acreditava que as espécies eram criações divinas perfeitas e imutáveis. Entretanto, o interesse dele pela reprodução das plantas levou-o, naturalmente, a demonstrar que novas espécies podiam ser obtidas através de hibridizações, ou seja, cruzamentos entre plantas diferentes. Assim, ele abandonou a ideia restrita de espécies fixas e admitiu que algumas delas poderiam ter sido “formadas” após o evento de Criação Divina, através do cruzamento entre espécies próximas, pertencentes ao mesmo gênero. Uma das preocupações constantes de Lineu era tornar a Suécia mais independente em relação à importação de alimentos. Aquele país, de clima muito frio, tem até hoje dificuldades na área agrícola. Lineu tentou aclimatar diferentes espécies a aquele país e percebeu que o processo de aclimatação também produzia modificações nas plantas; esse fato também contribuiu para ele abandonar sua crença em espécies fixas e imutáveis. Porém, ainda como produto de seu tempo, Lineu cria que as novas espécies formadas, fosse por hibridização ou até por aclimatação, já estavam previstas no plano Divino, pois partiam de espécies inicialmente criadas. Até a competição e predação eram vistas por ele como parte do plano Divino para manter a ordem entre as espécies. Lineu não foi e não pode ser considerado um evolucionista. Outrossim, suas ideias e seu sistema de organização de espécies foram estudados por evolucionistas, inclusive por Charles Darwin, um dos propositores da ideia de evolução atualmente aceita. Durante o Iluminismo, evolução foi um assunto abordado por um quase contemporâneo de Lineu: Jean Baptiste de Lamarck, mas este cientista é o assunto da nossa próxima sessão.

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Jean Bap tiste

de

um pensador da

17

Lamarck, Evo luç ão

J

ean Baptiste Pierre Antoine de Monet, Cavaleiro de Lamarck, nasceu em 1º de agosto de 1744, no norte da França. Ele foi o filho caçula em uma família com antiga tradição no serviço militar. O título cavaleiro de Lamarck foi obtido por sua atividade no exército francês. Em sua primeira batalha, ele se destacou por bravura e foi promovido a oficial. Por motivo de uma lesão foi obrigado a deixar o exército, isto já em 1763. Lamarck começou, então, a estudar medicina e botânica, e rapidamente se tornou especialista nestes assuntos. Em 1778 foi publicado seu livro sobre plantas da França, um marco para a Botânica, o Flore Française, que teve o apoio de Buffon e foi recebido com entusiasmo pelo público francês. Essa obra contava com uma chave artificial para ajudar a identificar as plantas ali registradas (Barroso et al, 2002) e conduziu Lamarck ao posto de botânico assistente no Jardim Botânico Real que, além de constituir uma coleção viva de espécimes vegetais também era, naquele tempo, um centro de ensino em Medicina e pesquisa em Biologia (naquela época chamada História Natural). Jean Baptiste Pierre Antoine de Monet, Cavaleiro de la MLamarck, ficou mundialmente conhecido como Jean Baptiste Lamarck, por seus trabalhos em Botânica e por sua teoria acerca da Evolução.

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Lamarck continuou no jardim Botânico como assistente até 1793, um ano marcante na história da França (quando o rei foi mandado para a guilhotina, no auge da revolução francesa). Neste período, o Jardim Botânico foi reorganizado como Museu Nacional de História Natural e Lamarck foi convidado para ser professor de História Natural dos Insetos e Vermes, os invertebrados, um assunto do qual ele não tinha qualquer conhecimento. O trabalho com invertebrados era, seguramente, o menos prestigiado naquela ocasião mas, talvez por viver com grandes dificuldades financeiras, Lamarck aceitou o desafio de lecionar o assunto e organizar a enorme coleção de invertebrados do museu. Na verdade, tempos depois de estudar os invertebrados, Lamarck afirmou que estes animais mostram o verdadeiro curso da natureza de forma muito mais clara que os grandes animais. Lamarck publicou vários livros sobre Zoologia dos invertebrados e Paleontologia, nos quais estão registrados seus pensamentos sobre evolução. No ramo da Zoologia, Lamarck foi o primeiro a propor os hoje conhecidos grupos Crustaceae, Arachnida e Annelida separados dos Insecta, e seus estudos sobre Mollusca são considerados avançados para o seu tempo. Durante sua vida não obteve prestígio ou respeito, especialmente de seus colegas Buffon e Cuvier, outros grandes nomes para ciência. Ao contrário, Cuvier descreditava a teoria da evolução de Lamarck. Lamarck viveu uma vida de pobreza e terminou sua vida completamente cego, sendo cuidado por sua filha. Ele faleceu em 1829. Cinco anos depois seus restos mortais foram transferidos para um lugar até hoje desconhecido.

As

ideias e a obra de

Lamarck

Foi em 1801 que Lamarck começou a publicar sobre sua teoria da evolução. No escopo de sua teoria, o tempo e as condições favoráveis aparecem como os dois principais meios pelos quais a natureza tem produzido suas criações. Hoje, o mecanismo evolutivo “Lamarckista” é lembrado por uma de suas afirmações, a de que caracteres adquiridos por uma geração poderiam ser herdados pela geração seguinte. Porém, a teoria ia além disso: Lamarck acreditava que os organismos não são passivamente alterados pelo ambiente, mas que as mudanças ambientais provocam mudanças nas necessidades dos organismos que ocupam aquele ambiente e isto provoca mudanças comportamentais. A alteração no comportamento conduz a um maior ou menor uso de dada estrutura do organismo e este uso provocaria um aumento (ou redução, no caso de desuso) no tamanho de dada estrutura ou órgão ao longo das gerações. Para ilustrar o pensamento Lamarckista, as girafas tornaram-se o exemplo mais emblemático (figura ao lado), muito embora saibamos hoje da insustentabilidaGirafas. Segundo o pensamento evolucionista de Lamarck,

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uma modificação ambiental teria gerado a necessidade destes animais super exercitarem seus pescoços. Tal característica adquirida pelo uso seria herdada pelas gerações posteriores.

de dos argumentos de Lamarck. A regra natural, do uso e desuso de uma parte do organismo, é mencionada como “Primeira Lei da Evolução” no livro Philosophie Zoologique publicado por Lamarck. Apenas a segunda lei diz respeito à herança de tais características adquiridas pelas gerações seguintes. Assim, o elemento direcionador da teoria evolutiva de Lamarck são as necessidades fisiológicas dos organismos, criadas a partir de suas interações com o ambiente. O mecanismo evolutivo proposto por Lamarck é diferente daquele proposto por Darwin-Wallace no século seguinte, porém o resultado previsto é o mesmo: mudanças adaptativas nas populações ao longo do tempo. Veja bem, adaptação e seleção natural não são ideias originalmente construídas por Darwin. Lamarck já pensava nelas e observou, em muitas de suas obras, como um grande número de plantas e animais sofre mudanças adaptativas quando sob cultivo ou produção humana. O próprio Charles Darwin esteve um pouco confuso quanto à herança dos caracteres adquiridos (Mayr, 1998). Inicialmente ele refutou a ideia, porém, mais tarde, admitiu que isso poderia ser importante na explicação de determinados caracteres em alguns organismos. Apenas no século XX, com a retomada dos trabalhos de Mendel e o estabelecimento da Genética como ciência, é que veio a prova definitiva sobre a impossibilidade de herança de caracteres adquiridos por uso e desuso de estruturas orgânicas. Darwin estava certo ao supor, ao contrário de Lamarck, que as características manifestas por um organismo já estariam presentes em suas células. O grande mérito de Lamarck para a atual Biologia é ter proposto, pela primeira vez e de forma consistente, um questionamento e uma explicação sobre a evolução dos seres vivos. A partir daí, o assunto ganhou corpo, adeptos e ferrenhos críticos, gerando o campo necessário para o amadurecimento e progresso do tema, até culminar, no século seguinte, na teoria de Evolução de Darwin-Wallace, hoje tida como o pilar das Ciências Biológicas. Como você pode perceber, evolução é assunto de fascículos anteriores e não se esgotou aqui! Até o final do curso, a Evolução dos Seres Vivos estará presente em várias discussões.

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