Aula 01 - Termometria

Unidade 01: Termometria

A termometria é a parte da Física que está interessada no estudo da temperatura, dos processos e equipamentos de medição dessa, assim como o estudo das escalas termométricas e suas relações.

Aula 01 - Temperatura e escalas termométricas

A matéria (pelo menos a que conhecemos) é formada por estruturas extremamente pequenas conhecidas como moléculas. As moléculas são constituídas por partículas ainda menores - os átomos. E por incrível que pareça, os átomos também são formados por estruturas menores. Na verdade, os átomos são formados por prótons, nêutrons e elétrons.

Mas se você pensa que acabou por ai, engana-se, os prótons e nêutrons também são formados por partículas menores ainda, chamadas de quarks. E por enquanto, não conhecemos nada menor que isso.

No nosso estudo, não nos preocuparemos com a estrutura do átomo, ficaremos mais no nível molecular, no máximo atômico.

Mais tarde abordaremos um modelo usado para explicar vários fenômenos, como as mudanças de fase, alteração de volume, de pressão, etc. Mas agora começaremos bem do início, discutindo conceitos fundamentais.

Temperatura

Você já deve ter uma noção do que é temperatura, mas vamos aprimorar seu conhecimento. Como dissemos, as coisas são formadas por moléculas, por átomos. Você pode não ver, mas essas estruturas estão sempre se mexendo, se agitando.

A temperatura de um corpo representa o grau de agitação térmica das moléculas, dos átomos. Isso quer dizer que, uma temperatura alta nos indica uma agitação molecular maior, uma temperatura mais baixa, uma agitação menor. Podemos definir

Temperatura como: uma grandeza que caracteriza o estado térmico de um sistema físico.

Representação da agitação molecular

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Temperatura

Como medimos a temperatura?

Podemos usar um aparelho, o conhecido termômetro, para medir a temperatura de algo. Na verdade, relacionamos uma propriedade do termômetro com a temperatura que queremos medir. Vamos explicar melhor: quando colocamos um termômetro em contato com alguma coisa, o líquido que está nele pode se expandir ou se contrair, e usamos uma escala para medir essa contração ou expansão. Então, associamos uma temperatura à essa escala que mede a o quanto o líquido se contraiu ou se expandiu.

Quando obtemos a temperatura de um corpo através de um termômetro, estamos na verdade, pegando a temperatura do próprio termômetro. Podemos, inclusive, dizer que um termômetro lê a sua própria temperatura. O que isso quer dizer?

Ao colocarmos o termômetro em contato com um corpo, por exemplo, eles entram em equilíbrio térmico e o termômetro acaba adquirindo a temperatura desse corpo. No entanto, vemos a temperatura do termômetro e assim sabemos a temperatura do corpo.

Escalas termométricas

No decorrer da história existiram diversas escalas de temperatura, a maioria surgiu principalmente durante o século XVII (século 17) quando os termômetros estavam sendo desenvolvidos. Atualmente temos três escalas em uso no mundo: Fahrenheit, Celsius e Kelvin. Abaixo falaremos um pouco sobre cada uma delas.

Fahrenheit (ºF)

Antigamente, ao se fazer um termômetro, os fabricantes usavam pontos arbitrários como referência, isto é, escolhiam um ponto mais baixo e um mais alto para controle, só que a escolha desses pontos dependia muito de quem estava fazendo o termômetro, não havia padrão definido pra isso e assim, havia muita confusão.

Em 1724, Daniel Gabriel FAHRENHEIT (1686 – 1736), adotou um ponto alto e um ponto baixo que, de certo modo, podiam ser reproduzidos com certa facilidade por outras pessoas que quisessem fazer um termômetro usando sua escala.

Ele tomou como ponto baixo a temperatura dos dias mais frios de sua terra natal (Danzig, na Holanda), e usando um termômetro de mercúrio, mediu a temperatura de uma mistura bem determinada de gelo, sal, amônia e água. Como ponto de referência mais alto, Fahrenheit escolheu a temperatura de uma pessoa (dizem que foi de sua esposa).

Para o ponto baixo ele estabeleceu o valor “zero” e para ponto alto, o valor 96. Assim, tomando como base a escala construída a partir dos pontos alto e baixo citados anteriormente, Fahrenheit pôde verificar que, na sua escala, o gelo puro fundia-se à temperatura fixa de 32ºF e que a água pura fervia à temperatura fixa de 212ºF.

Celsius (ºC)

A escala Celsius foi criada em 1742 pelo sueco Anders CELSIUS (1701 – 1744). Ele sugeriu que se tomasse o zero como ponto de ebulição da água e o 100 como o de congelamento (era invertido mesmo). Mas logo esta escala foi invertida de cabeça para baixo, ficando o ponto de congelamento em 0ºC e de ebulição em 100ºC, como conhecemos hoje.

Kelvin (K)

Uma outra escala termométrica bastante usada, principalmente pelas ciências, é a escala Kelvin, criada em 1848 e assim denominada em homenagem ao físico inglês Willian Thompsom, conhecido como Lord KELVIN (1824 – 1907).

A escala Kelvin é calibrada em termos da energia e como energia é uma grandeza positiva, não existem temperaturas negativas nessa escala. Então, o zero é a temperatura mais baixa possível, chamado de zero absoluto ou zero kelvin. Essa temperatura corresponde a -273,15ºC. Não há um limite superior para a temperatura.

Conversão entre escalas termométricas

Como podemos transformar o valor dado em uma escala para outra?

Devemos relacionar os pontos de referência conhecidos de uma das escalas com os pontos de outra. No caso, sabemos que, na escala Celsius, 0ºC é o ponto de congelamento da água e 100ºC, o ponto de ebulição (isso no nível do mar). Esses valores representam na escala na escala Fahrenheit os valores de 32ºF e 212ºF, respectivamente. Já na escala Kelvin, o ponto de congelamento da água é igual a 273K (na verdade é igual a 273,15K), e o ponto de ebulição da água é igual a 373K (na verdade é igual a 373,15K).

Assim, após colocar os valores em cada escala, podemos relacionar eles estabelecendo uma proporção:

Para cada escala, fazemos a diferença do valor lido (ou a saber) com o ponto de referência baixo, dividido pela diferença entre o ponto mais alto e ponto mais baixo. Veja:

Podemos melhorar a relação acima, fazendo as subtrações possíveis:

Como todos os denominadores são múltiplos de 20, podemos dividi-los por esse valor simplificando mais ainda a relação:

Assim, encontramos a relação entre as três escalas:

Se quisermos transformar Celsius em Fahrenheit, ou vice-versa:

Se quisermos transformar Fahrenheit em Kelvin, ou vice-versa:

Se quisermos transformar Celsius em Kelvin, ou vice-versa:

Como elas possuem o mesmo denominador, podemos simplificar, deixando a relação como:

C = K - 273