Atas da Sociedade Real de Edimburgo de 19 de abril de 1852

O objetivo da presente comunicação é chamar a atenção para as notáveis consequências que decorrem da proposição de Carnot, de que há um desperdício absoluto de energia mecânica disponível ao homem quando o calor é transferido de um corpo para outro a uma temperatura mais baixa, por qualquer meio que não atenda ao seu critério de uma “máquina termodinâmica perfeita”, estabelecido, sobre um novo fundamento, na teoria dinâmica do calor. Como é quase certo que somente o Poder Criador pode tanto criar quanto aniquilar energia mecânica, o “desperdício” a que se refere não pode ser aniquilação, mas sim alguma transformação de energia. Para explicar a natureza dessa transformação, é conveniente, em primeiro lugar, dividir as reservas de energia mecânica em duas classes: estática e dinâmica . Uma quantidade de pesos em uma altura, prontos para descer e realizar trabalho quando necessário, um corpo eletrificado, uma quantidade de combustível, contêm reservas de energia mecânica do tipo estático. Massas de matéria em movimento, um volume de espaço através do qual ondulações de luz ou calor radiante estão passando, um corpo que possui movimentos térmicos entre suas partículas (isto é, não infinitamente frio), contêm reservas de energia mecânica do tipo dinâmico.

As seguintes proposições são estabelecidas a respeito da dissipação de energia mecânica de um reservatório dado e sua restauração ao estado original. Elas são consequências necessárias do axioma: “É impossível, por meio de agentes materiais inanimados, obter efeito mecânico de qualquer porção de matéria resfriando-a abaixo da temperatura do objeto mais frio ao seu redor”.

I. Quando o calor é criado por um processo reversível (de modo que a energia mecânica assim gasta possa ser restaurada à sua condição original), ocorre também uma transferência de um corpo frio para um corpo quente de uma quantidade de calor que contém, em relação à quantidade criada, uma proporção definida que depende da temperatura dos dois corpos.

II. Quando o calor é gerado por qualquer processo irreversível (como o atrito), ocorre uma dissipação de energia mecânica, sendo impossível sua restauração completa ao estado original.

III. Quando o calor se difunde por condução , ocorre uma dissipação de energia mecânica, e a restauração perfeita é impossível.

IV. Quando o calor radiante da luz é absorvido, exceto na vegetação ou em reações químicas, ocorre uma dissipação de energia mecânica, e a restauração completa é impossível.

Em relação à segunda proposição, considera-se a questão: " Em que medida a perda de potência sofrida pelo vapor ao passar por tubos estreitos é compensada, no que diz respeito à economia da máquina, pelo calor (que contém um equivalente exato de energia mecânica) gerado pelo atrito? ", e chega-se à seguinte conclusão:

Seja S a temperatura do vapor (que é praticamente a mesma na caldeira e no tubo de vapor, e no cilindro até que a expansão em seu interior comece); T a temperatura do condensador; μ o valor da função de Carnot, para qualquer temperatura t ; e R o valor de

Então, (1- R ) w expressa a maior quantidade de efeito mecânico que pode ser economizada nas circunstâncias a partir de uma quantidade w/J de calor produzido pelo gasto de uma quantidade w de trabalho em atrito, seja do vapor nos tubos e portas de entrada, seja de quaisquer sólidos ou fluidos em movimento em qualquer parte da máquina; e o restante, Rw , é absolutamente e irremediavelmente desperdiçado, a menos que algum uso seja feito do calor descarregado do condensador. O valor de 1- R demonstrou não ser superior a cerca de 1/4 para as melhores máquinas a vapor, e podemos inferir que nelas pelo menos três quartos do trabalho gasto em qualquer tipo de atrito são totalmente desperdiçados.

Em relação à terceira proposição, investiga-se a quantidade de trabalho que poderia ser obtida ao igualar a temperatura de todas as partes de um corpo sólido que inicialmente possui uma dada distribuição não uniforme de calor, caso isso pudesse ser feito por meio de máquinas termodinâmicas perfeitas sem condução de calor. Se t for a temperatura inicial (estimada de acordo com qualquer sistema arbitrário) em qualquer ponto xyz do sólido, T a temperatura uniforme final e c a capacidade térmica por unidade de volume do sólido, o efeito mecânico necessário é, naturalmente, igual a

sendo simplesmente o equivalente mecânico da quantidade de calor liberada. Portanto, o problema se reduz à determinação de T. A seguinte solução é obtida:—

Se o sistema de termometria adotado [2] for tal que μ = J / ( t + a ), isto é, se concordarmos em chamar J/μ - a de temperatura de um corpo, para o qual μ é o valor da função de Carnot ( sendo a e J constantes), a expressão anterior torna-se

As seguintes conclusões gerais são extraídas das proposições acima mencionadas e de fatos conhecidos referentes à mecânica dos corpos animais e vegetais:—

1. Existe atualmente no mundo material uma tendência universal à dissipação de energia mecânica.

2. Qualquer restauração de energia mecânica, sem mais do que o equivalente em dissipação, é impossível em processos materiais inanimados, e provavelmente nunca é efetuada por meio de matéria organizada, seja dotada de vida vegetal ou sujeita à vontade de uma criatura animada.

3. Dentro de um período finito de tempo passado, a Terra deve ter sido, e dentro de um período finito de tempo futuro a Terra deve voltar a ser, inadequada para a habitação do homem em sua constituição atual, a menos que operações tenham sido, ou devam ser, realizadas que são impossíveis sob as leis às quais as operações conhecidas que ocorrem atualmente no mundo material estão sujeitas.

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