Você sabe o que é temperatura, equilíbrio térmico e escalas termométricas?
Neste artigo, vamos aprofundar nosso entendimento sobre o que é temperatura, explorar o conceito de equilíbrio térmico e analisar algumas das principais escalas termométricas utilizadas na medição dessa grandeza física.
Compreender a temperatura e seus princípios é essencial para entender fenômenos térmicos, processos naturais e tecnológicos, e as diferentes formas de medir e representar essa grandeza através das escalas termométricas.
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Introdução
É comum que as pessoas usem a sensação de calor ou frio para avaliar a temperatura de um corpo. No entanto, até que ponto podemos confiar nessa percepção?
É importante lembrar que a sensação térmica é subjetiva e pode variar de pessoa para pessoa, dependendo de diversos fatores. Mas como podemos medir objetivamente o calor ou frio de um objeto?
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Podemos utilizar um exemplo para ilustrar esse processo. Imagine um balão de borracha, fechado com ar em seu interior. As partículas de ar dentro do balão se movem em todas as direções.
Se aquecermos o ar dentro do balão, o volume do balão irá aumentar. Isso acontece porque o aumento da temperatura aumenta a energia cinética das partículas de ar, fazendo com que elas se movam mais rapidamente e colidam com mais força contra as paredes do balão.
Nos sólidos e líquidos, onde as partículas são impedidas de se movimentar livremente, elas apenas se agitam em regiões limitadas. Esse estado de agitação aumenta com o aumento da temperatura. Podemos concluir, então, que ela está relacionada com o estado de movimento das partículas de um corpo.
Assim, podemos dizer que a temperatura é um valor numérico associado ao estado de movimentação das partículas de um corpo em relação umas às outras. É importante lembrar que a sensação de calor ou frio é subjetiva e pode variar de pessoa para pessoa, enquanto a temperatura é uma medida objetiva do estado térmico de um objeto.
Temperatura é uma grandeza física que mede o nível de agitação das moléculas de um corpo, sendo expressa em graus Celsius (°C) ou Kelvin (K).
Equilíbrio térmico
Suponha que um sorvete recém-saído do freezer e um café quente acabado de ser feito sejam colocados sobre uma mesa. Após alguns minutos, observamos que ambos os produtos atingem a temperatura ambiente: o sorvete derreteu e o café esfriou.
Da observação de fenômenos dessa natureza, podemos concluir que os corpos colocados em um mesmo ambiente, sempre que possível, tendem espontaneamente para um mesmo estado térmico.
Os corpos mais “quentes” fornecem parte da energia de agitação de suas partículas para os corpos mais “frios”. Assim, os mais “quentes” esfriam e os mais “frios” esquentam, até que seus estados térmicos (suas temperaturas) fiquem iguais. Dizemos, então, que esses corpos atingiram o equilíbrio térmico.
Quando dois ou mais sistemas físicos têm a mesma temperatura, dizemos que eles estão em equilíbrio térmico.
Um exemplo de equilíbrio térmico é quando você mergulha uma colher fria em uma xícara de chá quente. Inicialmente, a colher está mais fria que o chá, e o chá está mais quente que a colher. No entanto, com o tempo, a energia térmica flui do chá para a colher, até que a colher e o chá atinjam a mesma temperatura e fiquem em equilíbrio térmico.
Essa transferência resulta em um aumento na energia cinética das partículas da colher e em uma diminuição na energia cinética das partículas do chá. Esse processo continua até que as temperaturas dos dois objetos se tornem iguais, atingindo o equilíbrio térmico. A transferência de energia térmica ocorre devido à diferença de temperatura entre as amostras, seguindo as leis da termodinâmica.
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Como fazemos para medir uma temperatura?
Com base em nossos estudos anteriores, é perceptível que não é possível medir diretamente a energia de agitação das moléculas de um corpo.
Então, como podemos avaliar sua temperatura? A resposta é simples: é necessário utilizar um processo indireto, por meio do uso de um segundo corpo que sofra alterações mensuráveis em suas propriedades físicas durante o processo de busca do equilíbrio térmico com o primeiro corpo. Esse corpo é chamado de termômetro.
Para um termômetro medir a temperatura, é necessário que haja uma substância termométrica, ou seja, um material cuja propriedade física varie com a temperatura. A substância termométrica mais comum é o mercúrio, utilizado em termômetros de vidro.
A grandeza termométrica é a medida da variação da propriedade física da substância termométrica, que é diretamente relacionada à temperatura. No caso do termômetro de mercúrio, a grandeza termométrica é o comprimento da coluna de mercúrio no tubo de vidro, que aumenta com o aumento da temperatura.
Essa variação na grandeza termométrica pode ser lida em uma escala graduada no tubo de vidro, que mostra a temperatura correspondente àquela medida.
Substância termométrica é aquela em que pelo menos uma de suas propriedades físicas varia de forma mensurável com a temperatura. Essa variação pode ocorrer em propriedades como comprimento, volume, pressão, entre outras.
Existem outros tipos de substâncias termométricas, como álcool, gases, termopares e termistores, que utilizam diferentes propriedades físicas, como variação de volume, pressão, diferença de potencial elétrico e resistência elétrica, respectivamente, para medir a temperatura. Cada tipo de termômetro possui sua própria grandeza termométrica e escala de medição correspondente.
Escalas termométricas
Existem três escalas termométricas principais: Celsius (também conhecida como escala centígrada), Fahrenheit e Kelvin.
A escala Celsius é baseada no ponto de fusão e ponto de ebulição da água, que são 0°C e 100°C, respectivamente. Essa escala é amplamente utilizada em todo o mundo, sendo a mais comum para medições cotidianas de temperatura.
A escala Fahrenheit foi criada pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit. Ela é baseada em dois pontos de referência: o ponto de fusão do gelo a 32°F e o ponto de ebulição da água a 212°F. A escala Fahrenheit é comumente usada nos Estados Unidos e em alguns outros países.
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A escala Kelvin é baseada na escala absoluta de temperatura, que é definida em relação ao zero absoluto de temperatura, onde não há movimento molecular. O ponto de fusão do gelo é de 273,15 K e o ponto de ebulição da água é de 373,15 K. A escala Kelvin é usada principalmente em contextos científicos e técnicos.
As três escalas são usadas para medir a temperatura em graus, e podem ser convertidas uma na outra por meio de fórmulas matemáticas
- Celsius para Fahrenheit:
- Fahrenheit para Celsius:
- Celsius para Kelvin:
- Kelvin para Celsius:
- Fahrenheit para Kelvin:
- Kelvin para Fahrenheit:
onde,
- TC representa a temperatura em graus Celsius.
- TF representa a temperatura em graus Fahrenheit.
- TK representa a temperatura em graus Kelvin.
Pode-se também utilizar a fórmula:
O zero absoluto
O zero absoluto é uma temperatura teórica em que todas as substâncias teriam sua energia térmica mínima possível, ou seja, o estado de agitação das partículas seria o mais baixo possível. Essa temperatura é representada em diferentes escalas termométricas, sendo a mais comum a escala Kelvin, em que o zero absoluto é igual a 0 Kelvin (ou -273,15 graus Celsius).
Embora seja impossível atingir o zero absoluto na prática, o estudo das propriedades dos materiais nessa faixa de temperatura é importante em diversas áreas da física e da ciência dos materiais, pois permite entender como as propriedades dos materiais mudam à medida que a energia térmica diminui.
Alguns livros para estudo e aprofundamento
Princípios Da Teoria Térmica Por Leandro Bertoldo · 2009
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