Termometria: Estudo de Calor e Temperatura

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TERMOMETRIA
TERMOLOGIA é a parte da Física que estuda os fenômenos relacionados com o calor e a temperatura. 
FÍSICA, 2ª Série
Escalas Termométricas
Imagem: Gérald Tapp /  Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported
Imagem: Fir0002, flagstaffotos.com.au / GNU Free Documentation License / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire02.jpg
Calor e Temperatura
Temperatura: é uma grandeza física, que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico. Esta definição é análoga a afirmar que a temperatura mensura a energia cinética média por grau de liberdade de cada partícula do sistema, uma vez consideradas todas as partículas de um sistema em equilíbrio térmico em um certo instante. A rigor, a temperatura é definida apenas para sistemas em equilíbrio térmico. (wikipédia)
 
Calor: é a energia térmica que flui de um corpo de maior temperatura para um de menor temperatura.
Imagem: Greg L / GNU Free Documentation License
Imagem: SEE-PE
As partículas constituintes dos corpos estão em contínuo movimento. Entende-se temperatura, como sendo uma grandeza que mede a maior ou menor intensidade dessa agitação térmica.
A quantidade que informa quão quente ou frio é um objeto em relação a algum padrão é chamada de temperatura (1). 
Maior temperatura
Menor temperatura
Imagens: SEE-PE
Se os corpos estiverem a temperaturas diferentes, a energia pode ser trocada entre eles (2).
No equilíbrio térmico os corpos em contato térmico deixam de trocar energia. 
Frequentemente associamos o conceito de temperatura com o grau de quente ou de frio de um corpo que tocamos .
A nossa pele é sensível à taxa de transferência de energia e não à temperatura do corpo .
Imagem: SEE-PE
Lei Zero da Termodinâmica
"Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si." (3)
Imagem: SEE-PE
Termometria
 
Termômetro – Um dispositivo calibrado para medir a temperatura do corpo.
É a partir da termologia que se estudam os processos de medição da temperatura de um corpo.
Imagem: Zwager / Public Domain
COMO MEDIR A TEMPERATURA
Algumas das propriedades físicas que mudam com a temperatura e que são usadas nos termômetros:
 o volume de um líquido; 
 o comprimento de um sólido;
 a pressão de um gás mantido a volume constante;
 o volume de um gás mantido a pressão constante;
 a resistência eléctrica de um condutor;
 a cor de um corpo quente.
Imagem: Geof from de.wikipedia.org / GNU Free Documentation License
Termômetro
Instrumento destinado a medir a temperatura dos corpos;
A medida da temperatura é feita de forma indireta;
Grandezas e substâncias termométricas;
TIPOS DE TERMÔMETROS
Podem ser: de mercúrio, a álcool, clínico, Six e Bellani, de resistência elétrica, bimetálico, de pressão de gás, laser e infravermelho.
Imagem superior à esquerda: Menchi / GNU Free Documentation License. Inferior à esquerda: Biol / Public Domain. E acima:  Optris / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
Escalas Termométricas - GRADUAÇÃO
Escalas Termométricas 
Escala Celsius 
A Escala Celsius construída em 1742, pelo físico e astrônomo sueco Anders Celsius, que adotou para o ponto de fusão de gelo o valor 0 (zero) e para o ponto de ebulição da água o valor 100 (cem). Dividiu-se o intervalo obtido entre os pontos fixos em cem partes iguais, em que cada parte corresponde a uma unidade da escala e foi denominada de grau Celsius, cujo símbolo é o °C.
Como o intervalo entre os pontos fixos dessa escala foi dividido em cem partes iguais, ela recebeu o nome de   centesimal e, atualmente, a Escala Celsius é a mais utilizada em todo o mundo (4).
Imagem: Olof Arenius / Astronomical observatory of Uppsala University / Public Domain.
Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain
Escala Fahrenheit 
A Escala Fahrenheit foi construída, em 1727, pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit, que adotou o valor 0 (zero) para a mistura: água, gelo picado e sal; e o valor 100 para a temperatura do corpo humano. Dividiu-se o intervalo entre esses pontos fixos em 100 partes iguais e cada parte recebeu o nome de grau Fahrenheit, cujo símbolo é °F.
Ao compararmos os pontos fixos escolhidos por Fahrenheit e Celsius, temos para o ponto de fusão do gelo, sob pressão de 1 atmosfera, o valor 32 °F e para o ponto de vapor da água, também sob pressão de 1 atmosfera, o valor 212 °F; o intervalo dividido em 100 partes iguais pelo sueco (Celsius) é dividido em 180 partes iguais Fahrenheit (5).
Esta escala foi utilizada principalmente pelos países que foram colonizados pelos britânicos, mas seu uso atualmente se restringe a poucos países de língua inglesa, como os Estados Unidos e Belize.
Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain
Daniel Gabriel Fahrenheit, polonês e muito rico, viveu de 1686 a 1736. Inspirou-se, para construir a sua escala termométrica, no grande físico dinamarquês Olaus Roemer, que foi a primeira pessoa a medir a velocidade da luz. Roemer construía termômetros, e Fahrenheit, que nessa época vivia em Copenhagen, costumava visitá-lo para aprender a fazer termômetros também. Roemer usava como temperaturas a solução em equilíbrio de água e gelo, e a temperatura do corpo humano (6).
Qual a proporção de água para sal, usada por Fahrenheit na sua experiência em que desenvolveu a escala de mesmo nome?
Imagem: Autor Desconhecido, 1735 / Horrebows Basis Astronomiæ / United States Public Domain
Olaus Roemer trabalhando em seu laboratório.
Quando começou a construir os seus termômetros, Fahrenheit procedia assim: colocava os termômetros (vários deles) em mistura de água com gelo e marcava neles o valor 30; a seguir, colocava - os (um a um, é claro) na axila "de uma pessoa com saúde" e marcava 90. A esta altura, os termômetros já estavam calibrados. Para testar a calibração, colocava-os depois em uma mistura de água, gelo e sal do mar, ou de água, gelo e sal de amônia, e exigia que todos marcassem a mesma temperatura. Essa mistura era feita na hora, sem proporções especificadas, pois servia só para verificar se todos marcavam a mesma temperatura. Isto está relatado no seu trabalho, publicado nas Philosophical Transactions of the Royal Society of London, volume 33, página 78, de 1724. Portanto, ele não diz em lugar nenhum quais as proporções da mistura, e provavelmente ele mesmo não sabia, e nem era necessário, para o fim a que se destinava. Mais tarde, a temperatura da mistura água-gelo passou a ser chamada de 32, e a do corpo humano de 96. Esta última, é claro, não se usa mais: usa-se, como você sabe, a temperatura de ebulição da água a uma pressão bem estabelecida (7).
Imagem:  Autor Desconhecido / United States public domain
Assinatura: Daniel Gabriel Fahrenheit / United States Public Domain
Em 1724, época em que muitos cientistas criavam seus próprios termômetros e seus valores, as vantagens da utilização do grau Fahrenheit eram muito mais perceptíveis, tanto para uso da ciência local, quanto para o uso no dia a dia. Atualmente, as vantagens dessa medição, tanto para a ciência, quanto para o dia a dia parecem pouco úteis, devido ao avanço da ciência (8).
Em países de clima frio, as temperaturas assumem, quase sempre, valores positivos na escala Fahrenheit, o que não é acompanhado pela graduação em Celsius. O zero Fahrenheit é -17,78 °C, portanto, poucas serão as situações em que serão apresentados valores negativos na previsão do tempo, o que facilita a compreensão de temperatura pelos habitantes de países de clima frio, principalmente para cálculos de amplitude térmica pelos mais humildes. (Exemplo: uma cidade com temperatura abaixo do ponto de fusão da água somente durante a noite) (9).
VANTAGENS
Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain
O fato de existir uma maior quantidade de números em um mesmo intervalo,
quando comparados Fahrenheit e Celsius (1,8 pra 1) faz com que todos os arredondamentos para valores inteiros se mostrem muito mais próximos do valor real. Entretanto, críticos sugerem que, mesmo a diferença de 1 grau na escala Celsius (para a temperatura da cidade) é uma variação muito pequena para ser atribuída uma vantagem a esta característica. Antigamente, na época da criação do sistema, esta era uma vantagem válida para medições meteorológicas que deviam ser as mais acuradas possíveis, principalmente para estudos físicos e registros históricos (10).
VANTAGENS
Em Celsius, a definição da passagem de estado febril para febre que precisa da utilização de medicamentos está entre os valores 37 e 38 °C. Em Fahrenheit, acostumou-se a tratar pacientes com medicamentos, quando a febre destes chega a valores de 3 dígitos (100 °F = 37,78 °C). É usual encontrar, nos países que utilizam a medida, enfermeiras falando: "A temperatura já atingiu três dígitos, vamos dar uma medicação". Numa época pré-industrial e antes do aperfeiçoamento do setor de saúde, esta foi uma valiosa informação para enfermeiros e médicos, fato que parece perder a importância com o passar do tempo (11).
VANTAGENS
Escala kelvin 
O Termômetro de Gás 
O comportamento observado nesse dispositivo é a variação da pressão com a temperatura de um volume fixo de gás.
Foi calibrado utilizando-se os pontos de fusão do gelo e de ebulição da água.
O reservatório B de mercúrio é levantado ou abaixado até que o volume do gás confinado esteja em algum valor, indicado pelo ponto zero da régua (12).
A altura h (a diferença entre os níveis do reservatório e da coluna A) indica a pressão no frasco, de acordo com a equação: 
Imagem:   Autor Desconhecido / United States public domain 
Imagem: Kuroisam / Public Domain
Se quisermos medir a temperatura de uma substância, colocamos o frasco de gás em contato térmico com a substância e ajustamos a coluna de mercúrio até que o nível na coluna A retorne a zero. 
A altura da coluna nos informa a pressão do gás e podemos, então, encontrar a temperatura da substância, a partir da curva de calibração (13). 
Curva de calibração
Imagem: Kuroisam / Public Domain
Imagem: SEE-PE
Experimentos mostram que as leituras do termômetro são quase independentes do tipo de gás utilizado, para que a pressão do gás seja baixa e a temperatura bem acima do ponto no qual o gás se liquefaz. 
A figura mostra a curva de calibração para três gases diferentes.
Observamos que se estendermos as retas rumo às temperaturas negativas, para P=0, a temperatura é de –273,15 C para as três retas.
Tal temperatura deve representar um limite inferior para os processos físicos, porque a pressão mais baixa possível é P=0 (seria um vácuo perfeito).
Isso sugere que essa temperatura em particular tem importância universal, pois não depende da substância usada no termômetro. 
Definimos a temperatura de –273,15 C como sendo o zero absoluto (14). 
Imagem: SEE-PE
Kelvin verificou, experimentalmente, que a pressão de um gás diminuía 1/273 do valor inicial, quando resfriado a volume constante de 0 °C para – 1 °C. Como a pressão do gás está relacionada com o choque de suas partículas com as paredes do recipiente, quando a pressão fosse nula, as moléculas estariam em repouso, a agitação térmica seria nula e a sua temperatura também. Conclui-se, então, que isso aconteceria se transformássemos o gás até – 273°C (15).
RELAÇÃO VOLUME - TEMPERATURA DE UM GÁS A PRESSÃO CONSTANTE. ZERO ABSOLUTO
Assim, Kelvin atribuiu o valor zero para este estado térmico e o valor de 1 kelvin a uma extensão igual à do grau Celsius, de modo que o ponto de fusão do gelo, corresponde a 273 K e o ponto de ebulição da água, corresponde a 373 K. O nome e o símbolo grau kelvin foram abolidos em convenção científica internacional e substituídos simplesmente por kelvin; portanto, ao invés de 10 °K, escreve-se 10 K e lê-se: dez kelvin (16).
Imagem: Celsius_kelvin_estandar_1954.png: Homo logos / Modificações feitas por Kismalac / GNU Free Documentation License.
Posteriormente, descobriu-se ser impossível atingir o estado de agitação molecular nulo; as moléculas têm uma energia mínima denominada energia do ponto zero, e o zero absoluto é inatingível na prática. O zero absoluto é obtido por extrapolação e não deve ser interpretado como o estado em que as partículas estariam em completo repouso, pois elas possuem uma energia mínima finita e apresentam movimento (17).
CONVERSÃO ENTRE AS ESCALAS
Imagens: SEE-PE
É um termômetro de mercúrio adaptado para funcionar no intervalo de temperaturas de 35°C a 44°C. Normalmente, é utilizado na determinação da temperatura do corpo humano e de outros seres vivos. Como é construído com a finalidade básica de indicar a temperatura mais elevada por ele atingida, quando em contato com o corpo humano, o termômetro clínico é considerado um termômetro de máxima. 
Para que esse objetivo seja alcançado, há um estrangulamento do tubo capilar na região que o liga ao bulbo, evitando, assim, o refluxo de mercúrio após ter atingido a temperatura máxima. 
Para desfazer o efeito do estrangulamento, é suficiente sacudir o termômetro com movimentos rápidos, pois a inércia do mercúrio leva-o de volta ao bulbo. O termômetro clínico deve ter pequenas dimensões, a fim de atingir o equilíbrio térmico com o corpo humano rapidamente, e sua escala deve ser fracionada para que seja sensível à pequenas variações de temperatura. Na prática, o termômetro clínico apresenta tubo capilar de alguns milímetros de diâmetro e comprimento de dez centímetros aproximadamente (18). 
TERMÔMETRO CLÍNICO
Imagem: Zwager / Public Domain
O termômetro clínico, quando usado em mais de um paciente, pode funcionar como veículo de contaminação microbiana. Assim, após cada tomada de temperatura, ele deve ser esterilizado. Mas, devido ao pequeno intervalo de temperaturas (35°C a 44°C) em que ele trabalha, essa esterilização não pode ser feita através de processos que utilizam temperaturas elevadas. O álcool é, portanto, o antisséptico recomendado.
Os termômetros de mercúrio são muito utilizados na prática, pois: 
- o mercúrio é facilmente obtido em elevado grau de pureza; 
- o mercúrio apresenta dilatação térmica regular e muito superior à do vidro; 
- sob pressão normal, o mercúrio é líquido num intervalo de temperaturas bastante extenso (entre 39°C e 359°C), o que abrange os fenômenos térmicos mais frequentes; 
- o mercúrio não adere ao vidro e não reage com ele;
- os termômetros de mercúrio são de fácil construção e cômodos no manuseio (19). 
A escala Réaumur é uma escala de temperatura concebida em 1731 pelo físico e inventor francês René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757), cujos pontos fixos são o ponto de congelamento da água (zero) e seu ponto de ebulição (80 graus).
Inventou um termômetro a álcool e apresentou uma escala termométrica para esses tipos de termômetros (1730), que fez muito sucesso na Europa Ocidental.
Assim, a unidade desta escala, o grau Réaumur, vale 4/5 de 1 grau Celsius e tem o mesmo zero que o grau Celsius. Seu símbolo é °R.
OUTRAS ESCALAS – EM DESUSO
ESCALA RÉAUMUR
Imagem:   J. Pizzetta / United States public domain
Imagem: Green Lane / GNU Free Documentation License
ESCALA RANKINE
Escala Termométrica inventada por William John Macqorn Rankine (1820 - 1872), físico escocês que atribuiu o valor zero ao zero absoluto e utilizou o grau Fahrenheit como unidade de variação (20).
Imagem:  United States public domain
Imagem: SEE-PE
Exemplo 1
01 – (UFBA) A temperatura do corpo humano é de aproximadamente 36,5 °C. Qual a leitura que a escala Fahrenheit e Kelvin fornecem para essa mesma temperatura?
Pensando !!!!
Pela equação de conversão temos:
Passando de Celsius para Fahrenheit:
Passando de Celsius para Kelvin:
Abacate com leite !!!
A temperatura normal de funcionamento do motor de um automóvel é 90ºC. Determine essa temperatura
em Graus Fahrenheit.
a)   90ºF b)   180ºF c)   194ºF d)   216ºF e)   –32ºF
Exemplo 2
 TF – 32 = 162
 TF = 162 + 32
TF = 194 °F
Banana com farinha !!!
x
+
O tradutor, ao receber o manual de instruções com a frase:
 After that, check whether temperature has remained hot, about 149ºF, traduziu-a corretamente desta forma:
“Após este tempo, verifique se a temperatura permaneceu quente, aproximadamente”:
a)   45ºC. b)   55ºC. c)   65ºC. d)   76ºC. e)   78ºC.
Exemplo 3
 TC= 65 °C
Café com biscoito !!!
Exemplo 4
 A temperatura de determinada substância é 50°F. A temperatura absoluta dessa substância, em kelvin, é
a)   343 b)   283 c)   263 d)   323 e)   273
Pensando !!!!
Pela equação de conversão temos:
Baião de dois com churrasco !!!
Exemplo 5
 Quando se deseja realizar experimentos a baixas temperaturas, é muito comum a utilização de nitrogênio líquido como refrigerante, pois seu ponto normal de ebulição é de - 196 ºC. Na escala Kelvin, esta temperatura vale:
a)  469 K b) 77 K 	 c)   196 K 	 d)   273 K e)100 K
Pela equação de conversão temos:
Açaí com torresmo !!!
Exemplo 6
Quando Fahrenheit definiu a escala termométrica que hoje leva o seu nome, o primeiro ponto fixo definido por ele, o 0ºF, corresponde à temperatura obtida ao se misturar uma porção de cloreto de amônia com três porções de neve, à pressão normal. Qual é, aproximadamente, esta temperatura na escala Celsius?
a)   32° b)   273° c)   37,7° d)   –18° e) 17,7°
Mocotó com farinha e pimenta !!!
Exemplo 7
A fim de diminuir o risco de explosão durante um incêndio, os botijões de gás possuem um pequeno pino com aspecto de parafuso, conhecido como plugue fusível. Uma vez que a temperatura do botijão chegue a 172ºF, a liga metálica desse dispositivo de segurança se funde, permitindo que o gás escape. Em termos de nossa escala habitual, o derretimento do plugue fusível ocorre, aproximadamente, a:
a)   342 ºC. b)   78ºC. c)   85ºC. d)   140ºC.  E) 113ºC.
15,6
TC = 78 °C
Pão com ovo !!!
Dilatação Térmica
 Duas barras de 3 metros de alumínio encontram-se separadas por 1cm à 20°C. Qual deve ser a temperatura para que elas se encostem, considerando que a única direção da dilatação acontecerá no sentido do encontro? Sendo .
Calorimetria
Mudança de Fase
Os Diagramas de Fase
Propagação de Calor
O Estudo dos Gases