Escala de Temperatura de Kelvin

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<p>Lorde Kelvin e sua escala de temperatura</p><p>Física</p><p>3o bimestre – Aula 11</p><p>Ensino Médio</p><p>3a</p><p>SÉRIE</p><p>2024_EM_V1</p><p>Termometria (temperatura; escalas termométricas).</p><p>Compreender a técnica de conversão entre escalas genéricas de temperatura;</p><p>Analisar e compreender a importância da escala absoluta de temperatura, relacionando-a com a escala Celsius.</p><p>Conteúdo</p><p>Objetivos</p><p>2024_EM_V1</p><p>(EM13CNT102) Realizar previsões, avaliar intervenções e/ou construir protótipos de sistemas térmicos que visem à sustentabilidade, considerando sua composição e os efeitos das variáveis termodinâmicas sobre seu funcionamento, considerando também o uso de tecnologias digitais que auxiliem no cálculo de estimativas e no apoio à construção dos protótipos.</p><p>(SÃO PAULO, 2020, p. 154).</p><p>Zero absoluto</p><p>Em um dos episódios de Cavaleiros do Zodíaco, um famoso anime lançado em 1987, durante a luta entre o Cavaleiro de Cisne, Hyoga, e Camus, o Cavaleiro de Ouro, Camus, questiona Hyoga: "Qual é o zero absoluto, Hyoga? Vamos, responda-me." Hyoga, então, busca em sua memória um momento de seu treinamento com seu mestre, o Cavaleiro de Cristal. Nesse episódio, o mestre de Hyoga explica que o zero absoluto é uma temperatura na qual todo e qualquer movimento molecular se detém.</p><p>Independentemente de já ter estudado esse assunto ou assistido a Cavaleiros do Zodíaco, você concorda com essa afirmação? Será possível atingir tal temperatura? Justifique a sua resposta.</p><p>5 MINUTOS</p><p>VIREM E CONVERSEM</p><p>Para começar</p><p>2024_EM_V1</p><p>Em nossa última aula, aprendemos que a equação que relaciona as escalas Celsius e Fahrenheit de temperatura se estrutura:</p><p>nos pontos de fusão (congelamento) e de ebulição (vapor) da água (pontos fixos);</p><p>no fato da variação em uma das escalas ser proporcional à variação correspondente na outra.</p><p>Usando as ideias acima, podemos construir a equação de transformação de uma escala de temperatura em outra qualquer, da mesma maneira que fizemos entre as escalas Celsius e Fahrenheit.</p><p>Transformação envolvendo escalas genéricas de temperatura</p><p>CONTINUA</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Vamos usar um exemplo numérico para evidenciar o que explicamos no slide anterior. Considere uma escala genérica chamada Temp, que terá unidade °T. Os pontos fixos de congelamento e vapor da escala Temp são, respectivamente, -10°T e 110°T.</p><p>A relação de conversão entre as escalas é obtida igualando-se as razões.</p><p>Transformação envolvendo escalas genéricas de temperatura</p><p>=</p><p>Representação dos pontos fixos em dois termômetros com escalas diferentes</p><p>proporcional</p><p>proporcional</p><p>CONTINUA</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Dessa forma, obtemos uma igualdade. E, simplificando os termos múltiplos entre si:</p><p>Transformação envolvendo escalas genéricas de temperatura</p><p>6</p><p>5</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Usando a escala que acabamos de criar, Temp, calcule o valor em que °T seja correspondente a 30°C.</p><p>Representação dos pontos fixos em dois termômetros com escalas diferentes</p><p>Exercício proposto</p><p>CONTINUA</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Exercício proposto – Correção</p><p>Vamos aplicar a relação de transformação entre as escalas Celsius e Temp:</p><p>Devemos substituir o termo referente à escala Celsius por 30, obtendo, então:</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>William Thomson, nascido em 26 de junho de 1824 na Irlanda, foi um físico e engenheiro britânico, conhecido como Lord Kelvin. Ele realizou diversas contribuições fundamentais à termodinâmica e em outras áreas da Física. Recebeu o título de barão Kelvin de Largs em 1892, tornando-se o primeiro cientista britânico a ser elevado à Câmara dos Lordes.</p><p>A escala absoluta</p><p>Fotografia de William Thomson, o Lorde Kelvin</p><p>(Fonte: WIKIPEDIA, [s.d.)</p><p>CONTINUA</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Se esfriamos um dado sistema, sua temperatura diminui. Logo, o estado de agitação das partículas também diminui. Kelvin denominou o zero absoluto (0 K) como o limite inferior de temperatura de um sistema, isso é, essa temperatura corresponde ao menor estado possível de agitação das partículas de um determinado sistema físico. Nesse zero absoluto, ainda há uma quantidade finita mínima e não nula de energia cinética.</p><p>A escala Kelvin (absoluta), com unidade K, foi adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) em 1954.</p><p>A escala absoluta</p><p>(Fonte: BISCUOLA; VILLAS BOAS; DOCA, 2012; ALVES; ROCHA, 2019)</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Retomando e aprofundando aprendizagens</p><p>Retome os questionamentos feitos na seção “Para começar”. Com base no que acabou de ver e em uma breve pesquisa, responda às seguintes questões:</p><p>Você concorda com a afirmação do Hyoga (Cavaleiro de Cisne) de que o zero absoluto seja a temperatura na qual todo movimento se detenha?</p><p>Será possível atingir tal temperatura? Justifique a sua resposta.</p><p>CONTINUA</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Retomando e aprofundando aprendizagens – Correção</p><p>A afirmação de Hyoga de que o zero absoluto seja uma temperatura na qual todo movimento se detenha é imprecisa. Como vimos anteriormente, o zero absoluto representa o menor estado possível de agitação das partículas em um sistema físico. Mesmo nesse estado, há uma quantidade mínima de energia cinética associada às partículas.</p><p>CONTINUA</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Retomando e aprofundando aprendizagens – Correção</p><p>Segundo a Termodinâmica, atingir o zero absoluto é impossível, embora seja possível nos aproximarmos bastante dele. Isso se deve às limitações fundamentais que regulam as transferências de energia entre sistemas macroscópicos, mediadas por processos de trocas de calor e de realização de trabalho.</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Na escala Kelvin, os pontos de fusão (congelamento) do gelo e de ebulição (vapor) da água são, respectivamente, 273 K e 373 K. Usando a estratégia anteriormente estabelecida para relacionar escalas, temos:</p><p>Portanto, teremos:</p><p>Se quisermos relacionar variações de temperatura, teremos:</p><p>Transformação – Celsius para Kelvin</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Exercício proposto</p><p>A temperatura média da superfície do Sol é de aproximadamente 5772 K. Qual é o valor dessa temperatura em Celsius?</p><p>CONTINUA</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Exercício proposto – Correção</p><p>Vamos aplicar a relação de transformação entre as escalas Celsius e Kelvin:</p><p>Devemos substituir o termo referente à escala Kelvin pelo valor de 5772. Obtendo, então:</p><p>CONTINUA</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>323 K.</p><p>N.D.A.</p><p>383 K.</p><p>363 K.</p><p>359 K.</p><p>Numa padaria, o café foi preparado a uma temperatura de aproximadamente 95°C. Porém, ao receber a xícara de café, o cliente esperou um certo tempo para tomá-lo, sendo que, na escala Fahrenheit, o café atingiu a temperatura de 122°F. Assinale a alternativa que corresponda à temperatura que o cliente ingeriu a xícara de café na escala Kelvin.</p><p>CONTINUA</p><p>Na prática</p><p>B</p><p>C</p><p>D</p><p>E</p><p>A</p><p>2024_EM_V1</p><p>Exercício proposto – Correção</p><p>Primeiramente, vamos fazer a conversão de graus Celsius para graus Fahrenheit. Para isso, podemos utilizar a relação entre essas duas escalas. Assim, temos:</p><p>Substituindo os valores informados na escala Fahrenheit:</p><p>.</p><p>CONTINUA</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Exercício proposto – Correção</p><p>Agora, aplicamos a relação de transformação entre as escalas Celsius e Kelvin:</p><p>Substituindo pelo valor encontrado, obtemos:</p><p>CONTINUA</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Correção</p><p>Alternativa A.</p><p>323 K.</p><p>N.D.A.</p><p>363 K.</p><p>363 K.</p><p>359 K.</p><p>Na prática</p><p>B</p><p>C</p><p>D</p><p>E</p><p>A</p><p>2024_EM_V1</p><p>Agora que aprendemos a converter as temperaturas para as principais escalas, vamos relacioná-las por meio de um simulador: https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=mf_teplotni_stupnice&l=pt. Para isso, siga as instruções abaixo:</p><p>Abra o simulador e verifique qual é o valor de 25°C nas escalas Fahrenheit e Kelvin;</p><p>Ajuste o cursor da escala (parte inferior da tela) para aumentar o limite de temperatura até 100°C;</p><p>Mova o cursor da temperatura (parte lateral da tela) até 80°C. Verifique o valor nas escalas Fahrenheit e Kelvin;</p><p>Ajuste o cursor da escala (parte inferior da tela) para aumentar o limite de temperatura até 300°C;</p><p>Mova o cursor da temperatura</p><p>(parte lateral da tela) até 250°C. Verifique o valor nas escalas Fahrenheit e Kelvin.</p><p>Explorando o simulador de escalas</p><p>TODO MUNDO ESCREVE</p><p>CONTINUA</p><p>Aplicando</p><p>2024_EM_V1</p><p>Explorando o simulador de escalas – Correção</p><p>25° C corresponde a 77°F e 298,15 K.</p><p>25° C corresponde a 176°F e 353,15 K.</p><p>250° C corresponde a 482°F e 523,15 K.</p><p>Aplicando</p><p>2024_EM_V1</p><p>Escalas genéricas e Escala Kelvin</p><p>Compreendemos a técnica de conversão entre escalas genéricas de temperatura;</p><p>Analisamos e entendemos a importância da escala absoluta de temperatura, relacionando-a à escala Celsius.</p><p>O que aprendemos hoje?</p><p>2024_EM_V1</p><p>ALVES, Luciana e Sá; ROCHA, Gelson. O novo Sistema Internacional de Unidades (SI). Sociedade Brasileira de Metrologia e Sociedade Brasileira de Física, 2019. Disponível em: https://metrologia.org.br/wpsite/wp-content/uploads/2019/07/Cartilha_O_novo_SI_29.06.2029.pdf. Acesso em: 15 jul. 2024.</p><p>BISCUOLA, Gualter José; VILLAS BOAS, Newton; DOCA, Ricardo Helou. Tópicos de Física 2. São Paulo: Saraiva, 2012.</p><p>HELOU, G. N. Tópicos de Física, v. 2. São Paulo: Saraiva, 2001.</p><p>KAZUHITO, Y.; FUKE, L. F. Física para o Ensino Médio, v. 2. São Paulo: Saraiva, 2016.</p><p>LEMOV, D. Aula nota 10: 49 técnicas para ser um professor campeão de audiência. São Paulo: Da Prosa/Fundação Lemann, 2011.</p><p>MARTINI, G. et al. Conexões com a Física, v. 2. São Paulo: Moderna, 2016.</p><p>PIETROCOLA, M. et al. Física em contextos, v. 2. São Paulo: Editora do Brasil, 2016.</p><p>VASCAK. Escala de temperatura. [s.d.]. Disponível em: https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=mf_teplotni_stupnice&l=pt. Acesso em 16 jun. 2024.</p><p>Referências</p><p>2024_EM_V1</p><p>Lista de imagens e vídeos</p><p>Slide 1 – Imagem da capa – SEDUC.</p><p>Slides 3, 11, 12 e 13 – Reprodução - Guilherme de Gaudea/CavZodíaco, 2009. Disponível em: https://www.cavzodiaco.com.br/servicos/galeria-de-imagens/galeria-dos-fas/fanart/pagina-29. Acesso em: 12 jul. 2024.</p><p>Slides 5, 7 e 14 – Elaboradas especialmente para a aula.</p><p>Slide 9 – Retrato de William Thomson, o Lorde Kelvin. Foto de T. & R. Annan & Sons, d.a. 1900. National Galleries of Scotland, Edimburgo. Disponível em: https://www.nationalgalleries.org/art-and-artists/42191. Acesso em: 16 jun. 2024.</p><p>Slide 23 – © Getty Images.</p><p>Referências</p><p>2024_EM_V1</p><p>2024_EM_V1</p><p>image2.png</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.png</p><p>image7.png</p><p>image11.jpeg</p><p>image12.png</p><p>image13.svg</p><p>image14.png</p><p>image15.svg</p><p>image15.png</p><p>image16.png</p><p>image17.png</p><p>image18.png</p><p>image21.png</p><p>image19.png</p><p>image22.png</p><p>image23.png</p><p>image24.png</p><p>image20.jpeg</p><p>image25.png</p><p>image26.png</p><p>image34.png</p><p>image35.png</p><p>image36.png</p><p>image37.png</p><p>image38.png</p><p>image27.png</p><p>image28.png</p><p>image41.png</p><p>image42.png</p><p>image29.png</p><p>image30.png</p><p>image31.png</p><p>image32.png</p><p>image33.jpg</p><p>image10.png</p><p>image1.png</p>