Cite três experimentos em que a hipótese do calórico enfrenta dificuldades para explicar.

Passo 1

O enunciado pede para citar três experimentos em que a hipótese do calórico (a ideia de que o calor é uma substância conservada, um fluido chamado “calórico”) enfrenta dificuldades para explicar os resultados. Vou apresentar três experimentos históricos, descrevendo o que foi feito, o que a hipótese do calórico previa e por que os resultados a contradizem.

Passo 2

Rápida explicação da hipótese do calórico (para entender por que os experimentos a refutam).
  • A hipótese do calórico afirma que o calor é uma substância material (o “calórico”) que está contida nos corpos e que se conserva: ele pode fluir de um corpo para outro, mas não é criado nem destruído.
  • Consequência prática: aquecimento só poderia ocorrer por transferência de calor já existente; trabalho mecânico não deveria gerar novo calor, e fricção apenas liberaria calor armazenado, que em princípio poderia se esgotar.
  • Assim, experimentos que mostram produção contínua de calor a partir de trabalho ou fricção, sem evidência de “reserva” de calórico sendo esgotada, colocam em crise essa hipótese.

Passo 3

Experimento 1 — Rumford (Conte Rumford, 1798): perfuração de canhões (aquecimento por fricção)
  • O que foi feito: Rumford observou que, durante a perfuração de canhões de bronze, a broca e o metal ficavam muito quentes; ele colocou água numa câmara que recebia a fricção e mediu que a água aquecia continuamente enquanto a broca girava.
  • Observação crucial: o aquecimento continuava enquanto se mantinha o trabalho de perfuração; não havia sinal de que a fonte de calor se esgotasse mesmo após muito tempo.
  • O que o calórico previa: se o calor fosse um fluido conservado existente no metal, deveria haver uma quantidade finita a ser liberada; após algum tempo o aquecimento deveria diminuir porque o “calórico” armazenado teria sido removido.
  • Por que contradiz o calórico: a produção contínua e indefinida de calor por fricção sugere que o calor está sendo produzido pela ação mecânica, não apenas transferido de uma reserva finita; isso não se encaixa com a ideia de calor como substância conservada.
  • Interpretação moderna (para aprender o raciocínio certo): o trabalho mecânico da fricção aumenta a energia interna (agita as moléculas), que se manifesta como aumento de temperatura — isto é, o trabalho é convertido em energia térmica.

Passo 4

Experimento 2 — Joule (roda de pás / equivalência mecânica do calor, década de 1840)
  • O que foi feito (esquema simples): uma massa m é deixada cair uma altura h, acionando um sistema de alavancas que faz girar pás dentro de água; o trabalho realizado pela massa é transformado em agitação da água, que se aquece. Joule mediu a elevação de temperatura \Delta T da água.
  • Quantidade física medida: trabalho mecânico realizado W = m g h,calor absorvido pela água Q = M c \Delta T,onde M é a massa da água e c seu calor específico. Joule mostrou que W e Q são proporcionais.
  • O que o calórico previa: novamente, se calor fosse uma substância conservada, não se esperaria que trabalho mecânico gerasse calor numa proporção fixa; calor só deveria mover-se entre corpos.
  • Observação e conclusão de Joule: aumentos de trabalho produziram aumentos proporcionais de \Delta T; igualando m g h = M c \Delta T,define-se a equivalência mecânica do calor J = \dfrac{W}{Q}. Joule obteve um valor numérico para J (hoje aproximado por J\approx 4{,}186\\ \mathrm{J/cal}).
  • Por que contradiz o calórico: demonstra de forma quantitativa que trabalho mecânico é convertido em calor, isto é, calor não é uma substância conservada, mas uma forma de energia que pode ser produzida a partir de trabalho.
  • Interpretação moderna: conservação da energia — trabalho pode aumentar a energia interna do sistema (manifestada como calor).

Passo 5

Experimento 3 — aquecimento por corrente elétrica (experimentos de Joule sobre aquecimento elétrico)
  • O que foi feito: passar corrente elétrica por um fio/resistor e medir o calor gerado no fio em dado intervalo de tempo. Joule mostrou experimentalmente que o calor gerado é proporcional a I^2 R t.
  • Lei experimental (lei de Joule): Q = I^2 R t,onde I é a corrente elétrica, R a resistência e t o tempo.
  • O que o calórico previa: se calor fosse apenas um fluido conservado presente nos corpos, não haveria razão clara para que a passagem de corrente — essencialmente trabalho/energia elétrica fornecida ao sistema — gerasse calor de forma proporcional à energia elétrica dissipada.
  • Por que contradiz o calórico: o calor aparece como resultado da conversão de energia elétrica em energia térmica; não é simples transferência de um fluido preexistente. Isso reforça que calor é uma forma de energia, não uma substância conservada.
  • Interpretação moderna: a potência elétrica dissipada P=I^2R transforma energia elétrica em energia interna (calor) por efeito resistivo.

Passo 6

Resumo didático e rápida dica para a prova
  • Resumindo: os pontos em comum desses experimentos são (1) fricção/ trabalho mecânico / energia elétrica produzem aquecimento contínuo; (2) há relação quantitativa entre energia fornecida e calor gerado; (3) isso contradiz a ideia de que calor é uma substância fixa e conservada.
  • Dica na prova: se pedirem por que a hipótese do calórico falha, cite explicitamente a ideia central (calor como fluido conservado) e mostre o contraste com um experimento que produz calor a partir de trabalho (Rumford ou Joule). Se puder, escreva a equação que relaciona trabalho e calor usada por Joule para dar peso quantitativo à resposta.

Resposta

Experimento de Rumford (perfuração de canhões — aquecimento por fricção)
Experimento de Joule (roda de pás / equivalência mecânica do calor)
Aquecimento por corrente elétrica (lei de Joule, Q=I^{2}Rt)

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