1. Escalas termométricas Física II Termologia 1. Escalas termométricas

FÍSICA II Escalas Termométricas TERMOLOGIA é a parte da Física que estuda os fenômenos relacionados com o calor e a temperatura. Imagem: Fir0002, flagstaffotos.com.au / GNU Free Documentation License / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire02.jpg Imagem: Gérald Tapp /  Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Conforto ou Desconforto Térmico “CALOR” (POPULAR) Conforto ou Desconforto Térmico

Calor e Temperatura Temperatura: é uma grandeza física, que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico. Esta definição é análoga a afirmar que a temperatura mensura a energia cinética média por grau de liberdade de cada partícula do sistema, uma vez consideradas todas as partículas de um sistema em equilíbrio térmico em um certo instante. A rigor, a temperatura é definida apenas para sistemas em equilíbrio térmico. (wikipédia) Imagem: Greg L / GNU Free Documentation License Calor: é a energia térmica que flui de um corpo de maior temperatura para um de menor temperatura.

As partículas constituintes dos corpos estão em contínuo movimento As partículas constituintes dos corpos estão em contínuo movimento. Entende-se temperatura, como sendo uma grandeza que mede a maior ou menor intensidade dessa agitação térmica. A quantidade que informa quão quente ou frio é um objeto em relação a algum padrão é chamada de temperatura (1). Menor temperatura Maior temperatura

Frequentemente associamos o conceito de temperatura com o grau de quente ou de frio de um corpo que tocamos . A nossa pele é sensível à taxa de transferência de energia e não à temperatura do corpo . Se os corpos estiverem a temperaturas diferentes, a energia pode ser trocada entre eles (2). No equilíbrio térmico os corpos em contato térmico deixam de trocar energia.

PONTOS FIXOS FUNDAMENTAIS FUSÃO PONTO DE GELO - Ponto correspondente a temperatura do gelo que está se transformando em água. EBULIÇÃO PONTO DE VAPOR - Este ponto corresponde a temperatura da água que está se transformando em vapor sob pressão normal.

Lei Zero da Termodinâmica "Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si." (3)

Termometria É a partir da termologia que se estudam os processos de medição da temperatura de um corpo. Termômetro – Um dispositivo calibrado para medir a temperatura do corpo. Imagem: Zwager / Public Domain

COMO MEDIR A TEMPERATURA Termômetro Instrumento destinado a medir a temperatura dos corpos; A medida da temperatura é feita de forma indireta; Grandezas e substâncias termométricas; Imagem: Geof from de.wikipedia.org / GNU Free Documentation License Algumas das propriedades físicas que mudam com a temperatura e que são usadas nos termômetros: o volume de um líquido; o comprimento de um sólido; a pressão de um gás mantido a volume constante; o volume de um gás mantido a pressão constante; a resistência eléctrica de um condutor; a cor de um corpo quente.

TIPOS DE TERMÔMETROS Podem ser: de mercúrio, a álcool, clínico, Six e Bellani, de resistência elétrica, bimetálico, de pressão de gás, laser e infravermelho. Imagem superior à esquerda: Menchi / GNU Free Documentation License. Inferior à esquerda: Biol / Public Domain. E acima:  Optris / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Escalas Termométricas - GRADUAÇÃO

Escalas Termométricas Escala Celsius Imagem: Olof Arenius / Astronomical observatory of Uppsala University / Public Domain. A Escala Celsius construída em 1742, pelo físico e astrônomo sueco Anders Celsius, que adotou para o ponto de fusão de gelo o valor 0 (zero) e para o ponto de ebulição da água o valor 100 (cem). Dividiu-se o intervalo obtido entre os pontos fixos em cem partes iguais, em que cada parte corresponde a uma unidade da escala e foi denominada de grau Celsius, cujo símbolo é o °C. Como o intervalo entre os pontos fixos dessa escala foi dividido em cem partes iguais, ela recebeu o nome de   centesimal e, atualmente, a Escala Celsius é a mais utilizada em todo o mundo (4). Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain

Escala Fahrenheit A Escala Fahrenheit foi construída, em 1727, pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit, que adotou o valor 0 (zero) para a mistura: água, gelo picado e sal; e o valor 100 para a temperatura do corpo humano. Dividiu-se o intervalo entre esses pontos fixos em 100 partes iguais e cada parte recebeu o nome de grau Fahrenheit, cujo símbolo é °F. Ao compararmos os pontos fixos escolhidos por Fahrenheit e Celsius, temos para o ponto de fusão do gelo, sob pressão de 1 atmosfera, o valor 32 °F e para o ponto de vapor da água, também sob pressão de 1 atmosfera, o valor 212 °F; o intervalo dividido em 100 partes iguais pelo sueco (Celsius) é dividido em 180 partes iguais Fahrenheit (5). Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain Esta escala foi utilizada principalmente pelos países que foram colonizados pelos britânicos, mas seu uso atualmente se restringe a poucos países de língua inglesa, como os Estados Unidos e Belize.

Qual a proporção de água para sal, usada por Fahrenheit na sua experiência em que desenvolveu a escala de mesmo nome? Daniel Gabriel Fahrenheit, polonês e muito rico, viveu de 1686 a 1736. Inspirou-se, para construir a sua escala termométrica, no grande físico dinamarquês Olaus Roemer, que foi a primeira pessoa a medir a velocidade da luz. Roemer construía termômetros, e Fahrenheit, que nessa época vivia em Copenhagen, costumava visitá-lo para aprender a fazer termômetros também. Roemer usava como temperaturas a solução em equilíbrio de água e gelo, e a temperatura do corpo humano (6). Imagem: Autor Desconhecido, 1735 / Horrebows Basis Astronomiæ / United States Public Domain Olaus Roemer trabalhando em seu laboratório.

Quando começou a construir os seus termômetros, Fahrenheit procedia assim: colocava os termômetros (vários deles) em mistura de água com gelo e marcava neles o valor 30; a seguir, colocava - os (um a um, é claro) na axila "de uma pessoa com saúde" e marcava 90. A esta altura, os termômetros já estavam calibrados. Para testar a calibração, colocava-os depois em uma mistura de água, gelo e sal do mar, ou de água, gelo e sal de amônia, e exigia que todos marcassem a mesma temperatura. Essa mistura era feita na hora, sem proporções especificadas, pois servia só para verificar se todos marcavam a mesma temperatura. Isto está relatado no seu trabalho, publicado nas Philosophical Transactions of the Royal Society of London, volume 33, página 78, de 1724. Portanto, ele não diz em lugar nenhum quais as proporções da mistura, e provavelmente ele mesmo não sabia, e nem era necessário, para o fim a que se destinava. Mais tarde, a temperatura da mistura água-gelo passou a ser chamada de 32, e a do corpo humano de 96. Esta última, é claro, não se usa mais: usa-se, como você sabe, a temperatura de ebulição da água a uma pressão bem estabelecida (7). Imagem:  Autor Desconhecido / United States public domain Assinatura: Daniel Gabriel Fahrenheit / United States Public Domain

Em 1724, época em que muitos cientistas criavam seus próprios termômetros e seus valores, as vantagens da utilização do grau Fahrenheit eram muito mais perceptíveis, tanto para uso da ciência local, quanto para o uso no dia a dia. Atualmente, as vantagens dessa medição, tanto para a ciência, quanto para o dia a dia parecem pouco úteis, devido ao avanço da ciência (8).

VANTAGENS Em países de clima frio, as temperaturas assumem, quase sempre, valores positivos na escala Fahrenheit, o que não é acompanhado pela graduação em Celsius. O zero Fahrenheit é -17,78 °C, portanto, poucas serão as situações em que serão apresentados valores negativos na previsão do tempo, o que facilita a compreensão de temperatura pelos habitantes de países de clima frio, principalmente para cálculos de amplitude térmica pelos mais humildes. (Exemplo: uma cidade com temperatura abaixo do ponto de fusão da água somente durante a noite) (9). Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain

VANTAGENS O fato de existir uma maior quantidade de números em um mesmo intervalo, quando comparados Fahrenheit e Celsius (1,8 pra 1) faz com que todos os arredondamentos para valores inteiros se mostrem muito mais próximos do valor real. Entretanto, críticos sugerem que, mesmo a diferença de 1 grau na escala Celsius (para a temperatura da cidade) é uma variação muito pequena para ser atribuída uma vantagem a esta característica. Antigamente, na época da criação do sistema, esta era uma vantagem válida para medições meteorológicas que deviam ser as mais acuradas possíveis, principalmente para estudos físicos e registros históricos (10).

VANTAGENS Em Celsius, a definição da passagem de estado febril para febre que precisa da utilização de medicamentos está entre os valores 37 e 38 °C. Em Fahrenheit, acostumou-se a tratar pacientes com medicamentos, quando a febre destes chega a valores de 3 dígitos (100 °F = 37,78 °C). É usual encontrar, nos países que utilizam a medida, enfermeiras falando: "A temperatura já atingiu três dígitos, vamos dar uma medicação". Numa época pré-industrial e antes do aperfeiçoamento do setor de saúde, esta foi uma valiosa informação para enfermeiros e médicos, fato que parece perder a importância com o passar do tempo (11).

Escala kelvin O Termômetro de Gás Imagem:   Autor Desconhecido / United States public domain O comportamento observado nesse dispositivo é a variação da pressão com a temperatura de um volume fixo de gás. Foi calibrado utilizando-se os pontos de fusão do gelo e de ebulição da água. O reservatório B de mercúrio é levantado ou abaixado até que o volume do gás confinado esteja em algum valor, indicado pelo ponto zero da régua (12). A altura h (a diferença entre os níveis do reservatório e da coluna A) indica a pressão no frasco, de acordo com a equação: Imagem: Kuroisam / Public Domain

Curva de calibração Imagem: Kuroisam / Public Domain Se quisermos medir a temperatura de uma substância, colocamos o frasco de gás em contato térmico com a substância e ajustamos a coluna de mercúrio até que o nível na coluna A retorne a zero. A altura da coluna nos informa a pressão do gás e podemos, então, encontrar a temperatura da substância, a partir da curva de calibração (13).

Definimos a temperatura de –273,15 C como sendo o zero absoluto (14). Experimentos mostram que as leituras do termômetro são quase independentes do tipo de gás utilizado, para que a pressão do gás seja baixa e a temperatura bem acima do ponto no qual o gás se liquefaz. A figura mostra a curva de calibração para três gases diferentes. Observamos que se estendermos as retas rumo às temperaturas negativas, para P=0, a temperatura é de –273,15 C para as três retas. Isso sugere que essa temperatura em particular tem importância universal, pois não depende da substância usada no termômetro. Tal temperatura deve representar um limite inferior para os processos físicos, porque a pressão mais baixa possível é P=0 (seria um vácuo perfeito). Definimos a temperatura de –273,15 C como sendo o zero absoluto (14).

RELAÇÃO VOLUME - TEMPERATURA DE UM GÁS A PRESSÃO CONSTANTE RELAÇÃO VOLUME - TEMPERATURA DE UM GÁS A PRESSÃO CONSTANTE. ZERO ABSOLUTO Kelvin verificou, experimentalmente, que a pressão de um gás diminuía 1/273 do valor inicial, quando resfriado a volume constante de 0 °C para – 1 °C. Como a pressão do gás está relacionada com o choque de suas partículas com as paredes do recipiente, quando a pressão fosse nula, as moléculas estariam em repouso, a agitação térmica seria nula e a sua temperatura também. Conclui-se, então, que isso aconteceria se transformássemos o gás até – 273°C (15).

Assim, Kelvin atribuiu o valor zero para este estado térmico e o valor de 1 kelvin a uma extensão igual à do grau Celsius, de modo que o ponto de fusão do gelo, corresponde a 273 K e o ponto de ebulição da água, corresponde a 373 K. O nome e o símbolo grau kelvin foram abolidos em convenção científica internacional e substituídos simplesmente por kelvin; portanto, ao invés de 10 °K, escreve-se 10 K e lê-se: dez kelvin (16). Imagem: Celsius_kelvin_estandar_1954.png: Homo logos / Modificações feitas por Kismalac / GNU Free Documentation License.

Posteriormente, descobriu-se ser impossível atingir o estado de agitação molecular nulo; as moléculas têm uma energia mínima denominada energia do ponto zero, e o zero absoluto é inatingível na prática. O zero absoluto é obtido por extrapolação e não deve ser interpretado como o estado em que as partículas estariam em completo repouso, pois elas possuem uma energia mínima finita e apresentam movimento (17).

CONVERSÃO ENTRE AS ESCALAS Imagens: SEE-PE

ESCALAS TERMOMÉTRICA Toda escala de medida necessita de dois pontos fixos, que são valores de referência desta escala.

TERMÔMETRO CLÍNICO É um termômetro de mercúrio adaptado para funcionar no intervalo de temperaturas de 35°C a 44°C. Normalmente, é utilizado na determinação da temperatura do corpo humano e de outros seres vivos. Como é construído com a finalidade básica de indicar a temperatura mais elevada por ele atingida, quando em contato com o corpo humano, o termômetro clínico é considerado um termômetro de máxima. Para que esse objetivo seja alcançado, há um estrangulamento do tubo capilar na região que o liga ao bulbo, evitando, assim, o refluxo de mercúrio após ter atingido a temperatura máxima. Imagem: Zwager / Public Domain Para desfazer o efeito do estrangulamento, é suficiente sacudir o termômetro com movimentos rápidos, pois a inércia do mercúrio leva-o de volta ao bulbo. O termômetro clínico deve ter pequenas dimensões, a fim de atingir o equilíbrio térmico com o corpo humano rapidamente, e sua escala deve ser fracionada para que seja sensível à pequenas variações de temperatura. Na prática, o termômetro clínico apresenta tubo capilar de alguns milímetros de diâmetro e comprimento de dez centímetros aproximadamente (18).

O termômetro clínico, quando usado em mais de um paciente, pode funcionar como veículo de contaminação microbiana. Assim, após cada tomada de temperatura, ele deve ser esterilizado. Mas, devido ao pequeno intervalo de temperaturas (35°C a 44°C) em que ele trabalha, essa esterilização não pode ser feita através de processos que utilizam temperaturas elevadas. O álcool é, portanto, o antisséptico recomendado. Os termômetros de mercúrio são muito utilizados na prática, pois: - o mercúrio é facilmente obtido em elevado grau de pureza; - o mercúrio apresenta dilatação térmica regular e muito superior à do vidro; - sob pressão normal, o mercúrio é líquido num intervalo de temperaturas bastante extenso (entre 39°C e 359°C), o que abrange os fenômenos térmicos mais frequentes; - o mercúrio não adere ao vidro e não reage com ele; - os termômetros de mercúrio são de fácil construção e cômodos no manuseio (19).

OUTRAS ESCALAS – EM DESUSO ESCALA RÉAUMUR Imagem:   J. Pizzetta / United States public domain A escala Réaumur é uma escala de temperatura concebida em 1731 pelo físico e inventor francês René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757), cujos pontos fixos são o ponto de congelamento da água (zero) e seu ponto de ebulição (80 graus). Inventou um termômetro a álcool e apresentou uma escala termométrica para esses tipos de termômetros (1730), que fez muito sucesso na Europa Ocidental. Assim, a unidade desta escala, o grau Réaumur, vale 4/5 de 1 grau Celsius e tem o mesmo zero que o grau Celsius. Seu símbolo é °R. Imagem: Green Lane / GNU Free Documentation License

ESCALA RANKINE Imagem: SEE-PE Imagem:  United States public domain Escala Termométrica inventada por William John Macqorn Rankine (1820 - 1872), físico escocês que atribuiu o valor zero ao zero absoluto e utilizou o grau Fahrenheit como unidade de variação (20).

ZERO ABSOLUTO ESCALA KELVIN MENOR ESTADO TÉRMICO. PONTO DE ENERGIA MÍNIMA

EXERCÍCIOS

1. A temperatura normal do corpo humano é de 36o C 1. A temperatura normal do corpo humano é de 36o C. Qual é o valor dessa temperatura expressa nas escalas Kelvin e Fahrenheit ? 309 K e 96,8o F Solução: TC = TK - 273 5 Tc = 9 TF - 32 36 = TK - 273 5 36 = 9 TF - 32 36 + 273 = Tk 309 = Tk 324 = 5TF - 160 Tk = 309 K 324 + 160 = 5TF 484 = 5TF 484 / 5 = TF 96,8 = TF TF = 96,8o F

2. A altura h da coluna capilar de um termômetro mede 4 cm a 10o C e 16 cm a 50o C. Qual a altura h, em cm, quando a temperatura atingir 0o C? Solução: H T Oo C 1Oo C 5Oo C h 4 cm 16 cm 4 - h 10 - 0 = 16 - h 50 - 0 4 - h 10 = 16 - h 50 50 (4 – h) = 10 (16 - h) 5 (4 – h) = 1 (16 - h) 20 – 5h = 16 - h – 5h + h = 16 - 20 – 4h = – 4 h = 1 cm

3. Considere uma escala termométrica X tal que, sob pressão normal, ao ponto de fusão do gelo faça corresponder o valor -20° X e ao ponto de ebulição da água o valor 180° X. Uma queda de temperatura de 5° C corresponde a quantos graus na escala? Solução: x 5 = oX oC Oo C 5o C 100 - 20 180 x = ? 180 – (– 20) 100 – 0 x 5 = 180 + 20 100 x 5 = 200 100 100x = 1000 100x = 1000 (: 100) x = 10º X

4. Certa escala termométrica adota os valores -20o E e 280o E, respectivamente, para os pontos de fusão de gelo e ebulição da água, sob pressão de 1 atm. Determine a fórmula de conversão entre essa escala e a escala Celsius. TE – (– 20) TC – 0 Solução: = 280 – (– 20) 100 – 0 E C Oo C TC 100o C - 20º E TE 280º E TE + 20 TC = 280 + 20 100 TE + 20 TC = 300 100 TE + 20 TC = 3 1 TE + 20 = 3TC TE = 3TC - 20

Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte   3b, 4, 5, 6, 20a, 21, 25, 29b SEE-PE Acervo SEE-PE 2a Fir0002, flagstaffotos.com.au / GNU Free Documentation License / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire02.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire02.jpg 2b Gérald Tapp / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Icebergs.jpg 3a Greg L / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermally_Agitated_Molecule.gif 7 e 26 Zwager / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kwikthermometers.jpg 8 Geof from de.wikipedia.org / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermometer4x_75percent_15.389.jpg 9a Menchi / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Clinical_thermometer_38.7.JPG 9b Biol / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Koortsthermometers-AFEC-0120-Lot240901%2BHartmann-0123-Lot3499.jpg 9c  Optris / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported http://commons.wikimedia.org/wiki/File:OptrisCT.jpg

Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte 11a   11a Olof Arenius / Astronomical observatory of Uppsala University / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Anders-Celsius-Head.jpg 11b Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermometer_(PSF)_de.svg 12 13 Autor Desconhecido, 1735 / Horrebows Basis Astronomiæ / United States Public Domain http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ole_R%C3%B8mer_at_work.jpg 14a Autor Desconhecido / United States public domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fahrenheit_small.jpg 14b Daniel Gabriel Fahrenheit / United States Public Domain http://en.wikipedia.org/wiki/File:Daniel_Gabriel_Fahrenheit_Signature.svg 16 19a http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lord_Kelvin_photograph.jpg

Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte 19b   19b Kuroisam / Public Domain 20b 23 Celsius_kelvin_estandar_1954.png: Homo logos / Modificações feitas por Kismalac / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CelsiusKelvin.svg 28a J. Pizzetta / United States Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reaumur_1683-1757.jpg 28b Green Lane / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Old_R%C3%A9aumur_scale_thermometer_-_IMG_0983.JPG 29a Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:W_J_M_Rankine.JPG