Temperatura está relacionada com a sensação que experimentamos quando tocamos em determinados objetos. Esta sensação permite-nos classificá-los em objectos frios, por exemplo, um cubo de gelo, e objectos quentes, por exemplo, uma chávena de café a ferver. Neste capítulo vamos ver mais de perto o que se entende por temperatura em física. Vamos explicar:
- O conceito de temperatura
- O que são termómetros
- Quais são as escalas de temperatura mais comuns
- Como converter entre as diferentes escalas de temperatura
- O que é zero absoluto
Conceito de temperatura
A temperatura permite-nos conhecer o nível de energia térmica de um corpo. As partículas de um corpo movem-se a uma certa velocidade, portanto cada partícula tem uma certa energia cinética. O valor médio desta energia cinética <Ec> está directamente relacionado com a temperatura do corpo. Assim, quanto maior a energia cinética média das partículas, maior a temperatura, e quanto menor a energia cinética média, menor a temperatura.
>
Temperatura é uma quantidade escalar que mede a quantidade de energia térmica que um corpo tem. No caso dos gases, o seu valor é proporcional à energia cinética média das moléculas, segundo a expressão:
>
>
Onde:
- Temperatura T: A sua unidade de medida no Sistema Internacional é o Kelvin ( K )
- Consistência universal k: Esta é uma constante igual para todos os gases. Sua unidade de medida no Sistema Internacional é o Kelvin por joule ( K/J )
- Energia cinética média das moléculas de gás <Ec>: Este é o valor energético cinético médio das moléculas de gás. A sua unidade de medida no Sistema Internacional é o Joule ( J )
Nota que, ao contrário de outras grandezas como velocidade ou aceleração, a temperatura não é uma quantidade mecânica mas sim uma quantidade estatística.
A distribuição das velocidades das partículas de um gás (e portanto a distribuição da energia cinética de cada partícula) , é regida pela lei de distribuição de Maxwell. Na imagem seguinte pode obter uma ideia qualitativa do efeito que um aumento de temperatura tem sobre as moléculas de um gás.
>
>
Para a mesma substância, quanto maior a temperatura, maior a velocidade das partículas que a compõem. Da mesma forma, em cada gráfico pode-se ver como quanto mais alta a temperatura, maior o intervalo de velocidades que pode ser alcançado devido à distribuição do Maxwell. Por exemplo, no primeiro gráfico pode-se ver como a maioria das partículas tem baixas velocidades (seus valores estão concentrados perto da origem das coordenadas) e à medida que a temperatura aumenta, a concentração da velocidade da partícula torna-se mais distendida.
Por outro lado, quando colocamos dois corpos em contacto, ocorre uma troca de energia térmica: a temperatura flui do que tem a temperatura mais alta para o que tem a temperatura mais baixa. Se deixarmos passar tempo suficiente, as duas temperaturas se igualam. Assim, quando tocamos um corpo que está a uma temperatura inferior à nossa, sentimos frio, e se está a uma temperatura mais alta, sentimos calor. A razão é precisamente esta troca de energia térmica entre o nosso dedo e o corpo em questão.
Como medimos a temperatura?
Temperatura é uma quantidade estatística, por isso não podemos medi-la directamente. Para medi-lo, fazemos uso de várias quantidades que variam com ele, tais como a altura de uma coluna de mercúrio, a resistência elétrica ou o volume e a pressão de um gás. Estas quantidades são chamadas de quantidades termométricas.
Para medir a temperatura usamos termómetros. Um termómetro é um dispositivo que nos permite ligar alguma quantidade termométrica à temperatura.
Tipos de termómetros
Existem diferentes tipos de termómetros, dependendo da quantidade física a ser medida, que varia com a temperatura. A seguir, uma lista de alguns dos principais. O nome dos termómetros e uma breve descrição são mostrados em itálico.
- Dilatação baseada
- Gases
- Mudança de volume: Termómetro a gás a pressão constante. O volume do gás varia com a temperatura. São muito precisos e são geralmente usados para calibração de outros termômetros
- Mudança de pressão: Termômetro de gás de volume constante. A pressão do gás varia com a temperatura. São muito precisos e são geralmente utilizados para calibração de outros termómetros
>
- Líquidos
- Coluna de mercúrio: Termómetro de mercúrio. A altura da coluna de mercúrio varia com a temperatura. A sua comercialização e utilização é proibida em alguns países como Espanha
- Coluna de álcool colorido: Termómetro de álcool. A altura da coluna de álcool colorida varia com a temperatura. Foi o primeiro a ser criado
- Sólidos
- Mudança de comprimento: Termómetro bimetálico. Consiste em duas placas de metais diferentes, rigidamente unidas entre si. A montagem se dobra em um arco proporcionalmente à mudança de temperatura. Isto porque cada placa tem um coeficiente de expansão diferente e as mudanças de temperatura causam diferentes alterações nos seus comprimentos
>
- Gases
- Baseado nas propriedades eléctricas
- Resistência
- Semicondutor: Termistor. Semicondutores são materiais que se comportam como condutores ou isoladores, dependendo da sua temperatura. Isto faz deles dispositivos para medir a temperatura
- Platinum: Termómetro de platina. A resistência elétrica da platina varia linearmente com a temperatura
>
- Efeito termoelétrico
- Termopar: Este é um par de emendas (soldas) de dois fios condutores de metais dissimilares. Uma das junções é mantida a uma temperatura de referência constante. A força electromotriz gerada depende da diferença de temperatura entre as soldaduras
>
>
- Resistência
>
>
- >
- Raios infravermelhos
- >
- termómetro infravermelho: Os corpos quentes emitem calor sob a forma de radiação electromagnética, captada por este tipo de termómetro
>
>
- Pirómetro óptico: São normalmente utilizados para medir temperaturas superiores a 700 °C. Eles são baseados na mudança de cor com que os objetos quentes brilham. Do vermelho escuro ao amarelo, quase atingindo o branco por volta de 1300º C
Escalas de temperatura
Temperatura é medida indirectamente através de magnitudes termométricas. Como veremos, utilizaremos os valores dessas quantidades em certos estados fixos para calibrar os termômetros, estabelecendo assim uma escala. Exemplos destes estados fixos são o congelamento ou a ebulição da água.
Existem três escalas principais para medir a temperatura:
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Vejamos o processo para cada escala em particular.
Escala centígrada ou Celsius
- O ponto normal de congelação da água é atribuído um valor 0 no termómetro
- O ponto normal de ebulição da água é atribuído um valor 100 no termómetro
- Este intervalo é dividido em 100 partes iguais. A cada um deles é atribuído um grau Celsius ( ºC )
Escala de Fahrenheit
- O ponto normal de congelação da água é atribuído um valor de 32 no termómetro
- O ponto normal de ebulição da água é atribuído um valor de 212 no termómetro
- Este intervalo é dividido em 180 partes iguais. Cada um deles é chamado grau Fahrenheit ( ºF )
Kelvin, absoluto ou escala Kelvin
Esta é a escala usada no Sistema Internacional de Unidades. Para definir a escala absoluta vamos primeiro definir a temperatura zero absoluta e o ponto triplo da água.
Temperatura zero absoluta
É o estado de temperatura mais baixa que um corpo pode ter. Neste estado, o movimento dos átomos e moléculas que compõem o corpo seria zero. É uma temperatura teórica que não pode ser alcançada na prática.
Triplo ponto de água
O ponto triplo de água é aquele casal de temperatura-pressão em que a água coexiste em estado sólido, líquido e gasoso. Especificamente, a temperatura seria 0,01 ºC e a pressão 611,73 Pa.
Processo
- A temperatura mais baixa que pode existir, zero absoluto, é atribuído o valor 0 no termómetro
- O valor 273.16 é atribuído ao ponto triplo de água
- O tamanho dos graus Kelvin é igualado aos Graus Celsius
O Kelvin é a unidade de temperatura utilizada no Sistema Internacional de Unidades.
Desde que atribuímos 0 K a zero absoluto, não há temperaturas negativas na escala Kelvin.
Desde que o tamanho dos graus é o mesmo nas escalas Kelvin e Celsius, um aumento de temperatura em graus Kelvin coincide com um aumento de graus Celsius.
Conversão de escalas
Precisando que tC, tF e T é a temperatura expressa em graus Celsius, Fahrenheit e Kelvin respectivamente, usaremos as seguintes expressões para converter entre escalas.