Termômetros e Escalas de Temperatura

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<p>Controlando a febre da população</p><p>3o bimestre - Aula 10</p><p>Ensino Médio</p><p>3a</p><p>Física</p><p>SÉRIE</p><p>2024_EM_V1</p><p>Compreender os princípios de funcionamento de alguns tipos de termômetros;</p><p>Analisar a relação entre as escalas de temperatura Celsius e Fahrenheit.</p><p>Termometria (temperatura; escalas termométricas).</p><p>Conteúdo</p><p>Objetivos</p><p>2024_EM_V1</p><p>Luiz, um brasileiro, decidiu viajar para os Estados Unidos durante o verão para visitar alguns amigos que vivem por lá. Ao chegar, ele se surpreendeu com o forte calor que fazia. Por isso, decidiu medir a temperatura do ambiente com um termômetro que seus amigos gentilmente emprestaram, mas ficou assustado ao ver que a temperatura indicada estava mais alta do que ele esperava. Sabendo que o termômetro utilizado por Luiz estava funcionando corretamente, como podemos explicar essa situação? Vire e converse com seus colegas para discutir sobre essa questão.</p><p>Situação-problema</p><p>5 MINUTOS</p><p>VIRE E CONVERSE</p><p>Para começar</p><p>2024_EM_V1</p><p>Luiz provavelmente se deparou com um termômetro na escala Fahrenheit, uma vez que nos Estados Unidos esta é a escala de medida de temperatura utilizada, diferente da escala Celsius, utilizada no Brasil.</p><p>Outras escalas podem também resultar em um valor numérico diferente do que na escala Celsius. Um exemplo é a escala Kelvin (K), escala de temperatura do Sistema Internacional de Unidades (SI), que veremos em próximas aulas.</p><p>Correção</p><p>Para começar</p><p>2024_EM_V1</p><p>Em nossa última aula comentamos brevemente sobre os termômetros e contamos um pouco sobre a sua história.</p><p>Falamos sobre os termômetros analógicos que possuem graduação em uma escala própria de temperatura e funcionam com base na dilatação de um líquido (mercúrio ou álcool).</p><p>Termômetros</p><p>Um termômetro caseiro.</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Hoje em dia existem termômetros digitais capazes de aferir a temperatura por meio de sensores eletrônicos (termistor) que convertem a temperatura em um sinal elétrico que é exibido em uma tela digital.</p><p>Nesses termômetros, há um circuito elétrico com um resistor (termistor) que varia sua resistência com a temperatura. A resistência determina a corrente (sinal) elétrica, gerando o valor da temperatura no painel.</p><p>Termômetros</p><p>Um termômetro digital.</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Existem, ainda, termômetros de infravermelho, utilizados em hospitais para aferir a temperatura instantaneamente, e termômetros a gás, que se baseiam na relação entre a pressão, volume e temperatura de um gás (Lei dos gases ideais). A variação da pressão ou do volume do gás é usada para determinar a temperatura.</p><p>Termômetros</p><p>Demonstração de uso de um termômetro de infravermelho.</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Professor, caso o aluno pergunte como funciona exatamente o termômetro de infravermelho, mencione a ideia que objetos emitem ondas eletromagnéticas com frequências relacionadas com sua temperatura. Maior a temperatura, maior a frequência da onda emitida. A radiação infravermelha do objeto atinge um sensor (termopilha), que a converte em calor, que está associado à excitação dos elétrons, gerando, assim, uma corrente elétrica que é convertida numericamente ao valor da temperatura no visor do termômetro.</p><p>Termômetros</p><p>Sensor bimetálico: câmaras frigoríficas e fornos. Lâmina bimetálica, constituída por dois metais diferentes que se curva ao sofrer variação de temperatura, uma vez que cada metal da lâmina possui um coeficiente de dilatação diferente. A variação de temperatura tem relação direta com a curvatura da lâmina.</p><p>Termopar: dispositivo usado para indicar a temperatura em painéis de carros, por exemplo. É constituído por dois fios de materiais diferentes, como cobre e ferro, unidos em uma das extremidades. A diferença de temperatura entre as duas junções (uma delas em contato com o objeto cuja temperatura se quer medir e a outra mantida a uma temperatura de referência) gera uma diferença de potencial elétrico (voltagem) que está relacionada à temperatura.</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Para construir um termômetro é necessário definir uma forma de representar o valor da temperatura aferida. Essa representação é chamada de escala termométrica. As escalas mais utilizadas são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Essas escalas são definidas pelos pontos de fusão do gelo e de ebulição da água, sob pressão atmosférica, conhecidos como pontos fixos.</p><p>Escalas termométricas</p><p>Representação dos pontos de fusão do gelo e de ebulição da água.</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Professor, falaremos mais da escala Kelvin na próxima aula.</p><p>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.</p><p>Uma maneira de relacionar duas escalas termométricas diferentes é iniciar com um valor em uma delas e calcular seu equivalente na outra usando uma equação apropriada. Por exemplo, considere dois termômetros idênticos preenchidos com mercúrio. Quando colocados em contato com o mesmo corpo e alcançando o equilíbrio térmico, as colunas de mercúrio atingirão a mesma altura em ambos os termômetros. Isso indica que as variações de temperatura registradas em ambas as escalas serão proporcionais, facilitando assim, a conversão entre elas.</p><p>Escala Celsius e Fahrenheit</p><p>Celsius</p><p>Fahrenheit</p><p>Ponto de</p><p>Vapor</p><p>Ponto de</p><p>Gelo</p><p>100</p><p>Divisões iguais</p><p>180</p><p>Divisões iguais</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Usando a ideia de proporcionalidade nos intervalos de temperatura, teremos:</p><p>Portanto, teremos:</p><p>Se quisermos relacionar variações de temperatura, teremos:</p><p>Escala Celsius e Fahrenheit</p><p>Celsius</p><p>Fahrenheit</p><p>Ponto de</p><p>Vapor</p><p>Ponto de</p><p>Gelo</p><p>Foco no conteúdo</p><p>2024_EM_V1</p><p>Atividade 1</p><p>Exercício proposto</p><p>Imagine que Luiz aferiu 74° F no termômetro emprestado por seus amigos. Qual seria o valor dessa temperatura na escala Celsius?</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Correção</p><p>Vamos aplicar a equação termométrica entre Celsius e Fahrenheit.</p><p>Devemos substituir o termo referente à escala Fahrenheit pelo valor de 74. Obtendo então:</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Correção</p><p>Multiplicando os termos:</p><p>Portanto, concluímos que a temperatura equivale a aproximadamente 23° C.</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Atividade 2</p><p>Exercício proposto</p><p>Para qual valor de temperatura as escalas Celsius e Fahrenheit coincidem?</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Correção</p><p>Para descobrir o valor de temperatura que coincide em ambas as escalas, teremos: . Portanto:</p><p>Multiplicando os termos e isolando T:</p><p>Na prática</p><p>2024_EM_V1</p><p>Vamos refletir sobre o que aprendemos na aula de hoje. Ordene as seguintes temperaturas da menor para maior: 0° C, 0° F e -180° C. Faça as anotações em seu caderno.</p><p>Refletindo sobre o conteúdo</p><p>TODO MUNDO ESCREVE</p><p>Aplicando</p><p>2024_EM_V1</p><p>Correção</p><p>De início, podemos comparar as temperaturas na escala Celsius, ordenando-as de forma crescente: -180° C, 0° C.</p><p>Para a temperatura de 0° F precisamos transformá-la na escala Celsius. O que nos dá uma temperatura aproximada de -17,8 °C.</p><p>Portanto, a menor temperatura é -180° C, seguida de 0° F (-17,8° C) e por último 0° C.</p><p>Aplicando</p><p>2024_EM_V1</p><p>Escala Celsius e Fahrenreit</p><p>Compreendemos os princípios de funcionamento de alguns tipos de termômetros;</p><p>Analisamos a relação entre as escalas de temperatura Celsius e Fahrenheit.</p><p>O que aprendemos hoje?</p><p>2024_EM_V1</p><p>BISCUOLA, G. J.; BÔAS, N. V.; DOCA, R. H. Tópicos de Física 2, São Paulo: Saraiva, 2012.</p><p>HELOU, G. N. Tópicos de Física. São Paulo: Saraiva, 2001. v. 2.</p><p>KAZUHITO, Y.; FUKE, L. F. Física para o Ensino Médio. São Paulo: Saraiva, 2016.</p><p>PIETROCOLA, M. et al. Física em contextos. São Paulo: Editora do Brasil, 2016. v. 2.</p><p>MARTINI, G. et al. Conexões com a Física. São Paulo: Moderna, 2016. v. 2.</p><p>Lemov, D. Aula nota 10: 49 técnicas para ser um professor campeão de audiência. São Paulo: Da Prosa/Fund. Lemann, 2011.</p><p>Referências</p><p>2024_EM_V1</p><p>Lista de imagens e vídeos</p><p>Imagem da capa – SEDUC</p><p>Slide 5 – Wikimedia Commons. Disponível em: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quecksilber-Basalthermometer.jpg.</p><p>Acesso em: 21 jun. 2024.</p><p>Slide 6 – Wikimedia Commons. Disponível em: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Laboratory_electronic_thermometer.jpg. Acesso em: 21 jun. 2024.</p><p>Slide 7 –Wikimedia Commons. Disponível em: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CNATRA_Conducts_Health_Screenings_During_the_COVID-19_Pandemic_200514-N-ZS007-387_%2849909740396%29.jpg. Acesso em: 21 jun. 2024.</p><p>Slide 9 – Imagem produzida para este material.</p><p>Slides 10 – Wikipédia. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Anders_Celsius. Acesso em: 03 jun. 2024.</p><p>Ebiografia. Disponível em: https://www.ebiografia.com/daniel_fahrenheit/. Acesso em: 03 jun. 2024.</p><p>Slides 12 e 13 – Imagens produzidas para este material.</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.png</p><p>image12.png</p><p>image13.svg</p><p>image14.jpeg</p><p>image15.jpeg</p><p>image16.jpeg</p><p>image17.png</p><p>image18.png</p><p>image19.png</p><p>image20.png</p><p>image21.png</p><p>image22.png</p><p>image23.png</p><p>image24.png</p><p>image25.png</p><p>image26.png</p><p>image27.png</p><p>image28.png</p><p>image29.png</p><p>image30.png</p><p>image31.png</p><p>image32.png</p><p>image33.png</p><p>image34.png</p><p>image35.png</p><p>image36.png</p><p>image37.png</p><p>image38.png</p><p>image39.png</p><p>image40.png</p><p>image41.svg</p><p>image42.png</p><p>image10.png</p><p>image1.png</p>