Termometria em Física

Termologia

é a parte da Física que estuda os fenômenos relativos ao aquecimento, resfriamento ou às mudanças de estado físico em corpos que recebem ou cedem um determinado tipo de energia. Estudaremos, em Termologia, as formas pelas quais essa energia, que denominaremos energia térmica, muda de local, propagando-se através de um meio. Estudaremos, ainda, o comportamento de um modelo teórico de gás, denominado gás perfeito, e, dentre outras coisas, as relações existentes entre a energia térmica e a energia mecânica.
No estudo de todos os fenômenos relativos à Termologia, sempre aparece um parâmetro muito importante, denominado temperatura, capaz de definir o estado térmico do sistema físico estudado. Assim, iniciaremos o nosso estudo de Termologia conceituando a temperatura e estabelecendo processos e regras usados para sua medição.

Temperatura

Grandeza que caracteriza o estado térmico de um sistema.

É comum as pessoas avaliarem o estado térmico de um corpo pela sensação de quente ou frio que sentem ao tocá-lo. Até que ponto, entretanto, podemos confiar nessa sensação? Muitas vezes pessoas diferentes em um mesmo ambiente experimentam sensações térmicas diferentes! Note que isso ocorre porque as sensações de quente e frio são individuais e subjetivas, dependendo do indivíduo e das condições a que ele está sujeito.

Agora você deve estar se perguntando: como podemos avaliar fisicamente esse “quente” e esse “frio”?

Imaginemos um balão de borracha, fechado, com ar em seu interior. O ar, como sabemos, é constituído de pequenas partículas que se movimentam em todas as direções. Agora, vamos aquecer o ar. O que acontece? O balão estufa, aumentando de tamanho. O que provocou isso? Foi o ar em seu interior, que, ao ser aquecido, empurrou mais fortemente as paredes elásticas, aumentando o volume do balão. Isso ocorre porque as partículas de ar movimentam-se, possuindo certa velocidade, certa energia cinética. Quando aumentamos a temperatura dessas partículas por aquecimento, essa energia cinética aumenta, intensificando os choques dessas partículas com as paredes internas do balão, o que produz aumento de volume.

Assim, podemos associar a temperatura do ar à energia cinética de suas partículas, isto é, ao estado de movimento dessas partículas.

Entretanto, o que acontece nos sólidos e nos líquidos, cujas partículas são impedidas de movimentar-se livremente?

Nesses casos, as partículas apenas agitam-se em regiões limitadas, e esse estado de agitação aumenta com o aquecimento, com o aumento de temperatura.
A conclusão a que podemos chegar é que, de alguma forma (vide seção 2.2), a temperatura está relacionada com o estado de movimento ou de agitação das partículas de um corpo. Assim, como uma ideia inicial, podemos dizer que a temperatura é um

valor numérico associado a um determinado estado de agitação ou de movimentação das partículas de um corpo, umas em relação às outras.

Não confunda Temperatura com Energia e tampouco com Energia Térmica

Relembrando: temperatura é a medida do grau de agitação das moléculas, é apenas um número acompanhado de sua unidade para ter-se ideia do grau de agitação das moléculas. Energia é a quantidade de agitação dessas mesmas moléculas e energia térmica, mais conhecida como calor, é a energia que flui entre corpos de diferentes temperaturas.

Termômetro

Considerando o que vimos anteriormente, você deve ter percebido que não temos condições de medir diretamente a energia de agitação das moléculas de um corpo. Como podemos, então, avaliar sua temperatura?

É simples: isso deve ser feito por um processo indireto, usando-se um segundo corpo que sofra alterações mensuráveis em suas propriedades físicas quando do processo de busca do equilíbrio térmico com o primeiro. A esse corpo chamamos de termômetro.

O mais conhecido é o termômetro de mercúrio.

Há outros tipos de termômetros como os que usam resistores, gás, etc.

Escalas termométricas

Escala termométrica é um conjunto de valores numéricos em que cada valor está associado a uma determinada temperatura. Se, por exemplo, a temperatura de um sistema A é representada pelo valor 50 e a de um sistema B, pelo valor 20, em uma mesma escala termométrica, dizemos que a temperatura de A é maior que a de B. Isso indica que as partículas do sistema A estão em um nível energético mais elevado que as do sistema B.

Como uma escala termométrica é constituída por um conjunto de valores arbitrários, um mesmo estado térmico pode ser representado em escalas termométricas diversas, por valores numéricos diferentes. Os valores numéricos de uma escala termométrica são obtidos a partir de dois valores atribuídos previamente a dois estados térmicos de referência, bem definidos, denominados pontos fixos.

Pontos fixos fundamentais

Pela facilidade de obtenção prática, são adotados usualmente como pontos fixos os estados térmicos correspondentes ao gelo fundente e à água em ebulição, ambos sob pressão normal. Esses estados térmicos costumam ser denominados ponto do gelo e ponto do vapor, respectivamente, e constituem os pontos fixos fundamentais.

Escala Celsius e Fahrenheit

A escala termométrica mais utilizada no mundo, inclusive no Brasil, foi criada pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744) e oficializada em 1742 por uma publicação da Real Academia Sueca de Ciência. O interessante é que, originalmente, Celsius utilizou o valor 0 para o ponto de ebulição da água e o valor 100 para seu ponto de congelamento. Foi um biólogo sueco, chamado Lineu [Carl von Lineé (1707-1778)], quem inverteu essa escala, tornando-a tal como a conhecemos hoje.

Em 1708, o físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), utilizando as ideias do astrônomo dinamarquês Ole Römer (1644-1710), estabeleceu os pontos de referência de uma nova escala. Para o ponto 0, ele utilizou a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia e, para o ponto 100, a temperatura do corpo humano. Somente mais tarde, quando passaram a utilizar a água como referência,observou-se que a sua escala assinalava 32 para o ponto do gelo e 212 para o ponto do vapor. A escala Fahrenheit de temperaturas é utilizada principalmente nos países de língua inglesa.

Na escala Celsius, temos 100 divisões iguais entre os pontos fixos, cada divisão correspondendo à unidade da escala, que recebe o nome de grau Celsius, simbolizado por °C.
Na escala Fahrenheit, temos 180 divisões iguais entre os pontos fixos, sendo a unidade da escala denominada grau Fahrenheit, simbolizado por °F.

Conversão entre as escalas Celsius e Fahrenheit

A que valor na escala Fahrenheit corresponde, por exemplo, 60 °C?

Para fazer a correspondência, vamos utilizar dois termômetros idênticos de mercúrio, sendo um graduado na escala Celsius e outro, na Fahrenheit. Ao colocá-los em contato com um mesmo corpo, observamos que as alturas de mercúrio são iguais, mas, por se tratarem de escalas distintas, os valores numéricos assinalados são diferentes (θc e θf).

Perceba que os intervalos de temperaturas correspondentes nos dois termômetros são proporcionais. Assim, vale a relação:

θc - 0 / θf - 32 = 100 - 0 / 323 - 32

θc / θf - 32 = 100 / 180 = 5 / 9

Essa equação de conversão pode ser escrita da seguinte maneira:

θc / 5 = θf - 32 / 9

Variação de temperatura

Para converter uma variação de temperatura em graus Celsius para graus Fahrenheit, ou vice-versa, observe o esquema abaixo, em que comparamos essas duas escalas

Note que a variação em uma das escalas é proporcional à variação correspondente na outra. Assim, podemos afirmar que:

​Δθc / 100 = Δθf / 180

O zero absoluto

Imagine um sistema físico qualquer. Quando o aquecemos, sua temperatura se eleva, aumentando o estado de agitação de suas partículas. Se o esfriamos, sua temperatura diminui porque o estado de agitação das partículas também diminui. Se continuarmos a esfriar esse sistema, o estado de agitação das partículas diminuirá mais e mais, tendendo a um mínimo de temperatura, denominado zero absolutoZero absoluto é o limite inferior de temperatura de um sistema. É a temperatura correspondente ao menor estado de agitação das partículas, isto é, um estado de agitação praticamente nulo.

No zero absoluto, ainda existe nas partículas do sistema uma quantidade finita, não nula, de energia cinética. Essa energia é denominada energia do ponto zero.

Escala absoluta

O físico britânico William Thomson (1824-1907), mais conhecido como Lord Kelvin, foi quem verificou experimentalmente a variação da pressão de um gás a volume constante. Por meio de uma extrapolação, ele concluiu que a menor temperatura que aquele gás poderia atingir coincidia com a anulação da pressão.

Até chegar a essa conclusão ele realizou experiências com diferentes amostras de gases, a volume constante. As variações de pressão foram plotadas (marcadas) em um gráfico, em função da temperatura Celsius. O prolongamento do gráfico levou-o ao valor -273,15 °C, que foi denominado “zero absoluto”. Para facilitar os cálculos, aproximamos esse -273 °C. A escala Kelvin, também denominada escala absoluta, tem sua origem no zero absoluto e utiliza o grau Celsius como unidade de variação. O símbolo da unidade da escala Kelvin é K.

Do exposto, pode-se concluir que a equação de conversão entre as escalas Celsius e Kelvin é dada por:

θk = θc + 273