TERMOMETRIA ALUNO

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TERMOMETRIA
Introdução
A Termometria é a parte da Termologia que se dedica ao estudo das medidas de temperatura e os efeitos provocados pela sua variação.
Ao longo de muitos anos através de seus sentidos o homem trava conhecimento com o mundo físico que o cerca. A primeira noção que se tem de temperatura é estabelecida a partir da sensação térmica que o tato proporciona, traduzida pelos termos frios, quente, gelado, etc.
No entanto, para fins científicos, o critério "sensitivo" para avaliação das temperaturas é vago e impreciso, pois depende da pessoa e das condições nas quais a mesma se encontrava.
Daí a necessidade de se estabelecer um instrumento padronizado de medida de temperatura que independa do sentido do tato. A invenção do termoscópio, termômetro cujo princípio físico era a expansão do ar, teve papel primordial no desenvolvimento da termologia, sendo mencionado por numerosos estudiosos entre o final do século XVI e o início do XVII. Desde então termômetros cada vez mais modernos e sofisticados passaram a surgir.
Conceitos fundamentais da Termometria
Temperatura
Se pudéssemos olhar com grande ampliação o que forma os materiais que nos cercam, para ver de que são feitos, encontraríamos algo que poderia ser interpretado como partículas muito pequenas. 
As partículas constituintes da matéria apresentam movimento não ordenado. E por este motivo, costuma ser chamado de agitação térmica molecular, isto é, em função do fato de tais partículas moverem-se aleatoriamente, em constante agitação, vibrando, girando, se deslocando o tempo todo. 
Tal movimento depende do estado físico em que o corpo se encontra. No estado sólido, por exemplo, as moléculas se movimentam menos. Só ocorre a vibração das moléculas. Já nos líquidos e gases, ocorre o giro e o deslocamento. 
Assim, a grandeza que nos dá a noção desse grau de agitação térmica em que se encontram os corpos é a temperatura. Deste modo, quanto maior a energia de vibração das partículas deste corpo, maior será sua temperatura. 
a) Menor agitação térmica – menor temperatura 
b) Maior agitação térmica – maior temperatura 
Temperatura: é uma medida diretamente proporcional ao grau de agitação térmica das partículas de um corpo. Quanto maior a agitação, maior a temperatura. 
Sensações Térmicas 
É a percepção que temos da temperatura e é influenciada pela temperatura ambiente e por outros fatores como vento e umidade.
Energia Térmica
Consideremos dois corpos, A e B, com a mesma temperatura e mesmo material, mas com massas diferentes, pode-se inferir que se possuem a mesma temperatura é porque o nível de vibração de uma molécula do corpo A é igual ao nível de vibração de uma molécula do corpo B. No entanto como os dois corpos têm massas diferentes, podemos concluir que o corpo com maior massa, isto é, o corpo B, tem maior número de moléculas. Assim somando a energia de todas as moléculas do corpo B, obteremos um valor maior do que a soma da energia de todas as moléculas do corpo A.
Essa energia total de vibração das moléculas de um corpo denomina-se energia térmica do corpo. A energia térmica de um corpo depende de sua temperatura e de sua massa.
Energia Térmica: refere-se a soma de energia de todas as moléculas do corpo. 
Equilíbrio Térmico
Quando colocamos dois corpos de diferentes temperaturas em contato, ao fim notaremos que o corpo de menor temperatura irá se aquecer e o de maior temperatura irá esfriar, ou seja, dizemos que houve uma transferência de calor, que se deu do corpo mais aquecido para o menos aquecido. Esse processo se dá de forma contínua até que em um determinado instante as temperaturas dos dois corpos se igualam. Neste instante, dizemos que os dois corpos se encontram em equilíbrio térmico. 
Dois corpos estão em equilíbrio térmico quando tiverem a mesma temperatura.
Corpos com temperaturas diferentes colocados em contato sempre tendem ao equilíbrio térmico.
Calor
Calor é definido como sendo energia térmica em trânsito e que flui de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura existente entre eles. Essa transferência de calor ocorre sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura, até que ambos atinjam o equilíbrio térmico. 
Calor: é uma forma de energia transmitida de um corpo para outro em função da diferença de temperaturas entre eles.
Regulação da temperatura corporal
A regulação da temperatura corporal é um mecanismo bastante complexo, controlado principalmente pelo sistema nervoso central. O corpo humano, assim como o corpo de outros mamíferos e de aves, é homeotérmico, não apresenta variações de temperatura de acordo com o ambiente, mas, sim, de acordo com as próprias condições internas. 
Nos seres humanos, alguns fatores ambientais e pessoais podem mudar a temperatura do corpo sadio (exemplos: ingestão de alimentos quentes ou frios, épocas do ciclo menstrual, exercícios físicos, temperatura ambiente etc.), mas essas mudanças geralmente são muito pequenas e ocorre um rápido ajuste ás variações fisiológicas do organismo. 
A homeotermia apresenta vantagens e desvantagens. Os homeotérmicos podem sobreviver em uma grande variedade de ambientes e podem ficar ativos no inverno. Porém, eles precisam ingerir mais alimento que outros animais, pois para manter sua temperatura necessitam de grande quantidade de energia. 
A temperatura se mantém estável graças ao equilíbrio entre a produção e a perda de calor pelo corpo. A produção de calor ocorre principalmente pela ingestão de alimentos (e seu aproveitamento pelo organismo) e pela contração dos músculos esqueléticos. A perda de calor se dá quando a temperatura ambiente está abaixo da temperatura corpórea, e pode ocorrer quando os objetos de diferentes temperaturas não estão em contato ou não por condução, quando a base de troca de calor é feita por contato direto. 
A pele participa do processo de troca de calor entre o corpo e o ambiente. Dependendo do fluxo de sangue para a pele, mais ou menos calor do interior do corpo é perdido. Além disso, como a quantidade de pelos no corpo humano é pequena, usamos roupas para completar a proteção e evitar perdas de calor. 
A perda de calor pela pele se faz continuamente através da eliminação de suor, ou seja, da sudorese. 
Existe uma perda de água quase imperceptível nos seres humanos, de 50 ml/hora, que depende da evaporação do suor, o qual, por sua vez, depende da umidade do ambiente. 
Como a água apresenta alto calor específico, a evaporação de 1 g de água retira cerca de 0,6 kcal de calor da pele. Em casos de exercícios físicos extenuantes, a sudorese pode atingir até 1600 ml/hora, determinando uma perda calórica de mais de 900 kcal/hora. 
A febre é uma reação do organismo a substâncias liberadas de células sanguíneas como resposta à infecção. Num indivíduo febril, os mecanismos termorreguladores reagem como se tivessem sido reajustados. Febre muito alta pode levar a morte por lesão cerebral.
Na hipotermia (queda de temperatura corporal) os processos metabólicos e fisiológicos ficam retardados. Há diminuição da frequência cardíaca e respiratória, da pressão arterial e do nível de consciência.
Os termômetros 
Atribui-se a invenção do termômetro, na época conhecido por termoscópio, ao grande matemático, físico e astrônomo italiano Galileu Galilei (1564 - 1642), que consistia em um bulbo cheio de ar, provido de um tubo imerso num recipiente contendo um liquido. Ocorre que quando o ar do bulbo se aquecia, a pressão aumentava e a coluna liquida descia; quando se esfriava, a pressão diminuía e a coluna liquida subia. O que permitia avaliar, mesmo que de forma precária, a temperatura do corpo em contato com o bulbo.
Entretanto, com o passar dos anos, a evolução tecnológica fez com que surgissem termômetros cada vez mais sofisticados. Existem diferentes termômetros para diferentes usos: termômetro de mercúrio (veremos mais adiante), termômetro de gás, termômetro de resistência elétrica,
termômetro digital, etc. 
Mas, o que é um termômetro? E para que serve? O termômetro, nada mais é do que um instrumento usado para medir o grau de agitação térmica de um corpo, isto é, a sua temperatura.
E divide-se em três partes:
	a) Bulbo – parte que contém a substância termométrica
	b) Capilar – compõe a maior parte do termômetro, onde estão as escalas termométricas; 
	c) Substância Termométrica – substância que ocupa o interior do termômetro, por sua vez deve apresentar dilação regular, geralmente a mais utilizada é o mercúrio.
O seu funcionamento baseia-se no principio de equilíbrio térmico, isto é, ao ser colocado em contato com um corpo com o passar do tempo atingirá o equilíbrio térmico com este corpo, fazendo com que a substância termométrica sofra dilatação ou contração, e quando isto ocorrer ele indicará um valor de temperatura. Mas para que isto ocorra ele deve estar devidamente graduado, isto é, para tal é necessário que se defina os pontos fixos, os mais utilizados são a temperatura de fusão e de vapor ou ebulição da água sob pressão atmosférica normal.
As escalas termométricas 
As escalas termométricas (Celsius, Fahrenheit e Kelvin) representam um conjunto de valores numéricos de temperaturas, sempre associados a um determinado estado térmico preestabelecido, denominado ponto fixo da escala.
Anders Celsius foi um astrônomo sueco mundialmente conhecido pela sua escala termométrica, a escala Celsius. 
Essa escala tem origem no artigo “Observações sobre dois graus persistentes num termômetro” de 1742. Celsius verificou durante dois anos que o descongelamento da neve ou do gelo, em locais de diferentes latitudes e com diferentes pressões atmosféricas se verificava sempre no mesmo ponto do termômetro. Usou este “ponto fixo” como referência para 100 graus. O outro “ponto fixo” escolhido foi o correspondente à ebulição da água à pressão de 755 mm de mercúrio, a que associou 0 grau.
Dividiu a distância entre os dois pontos em 100 partes iguais, obtendo assim a chamada escala Celsius para medição de temperaturas. A escolha de 0 graus para a temperatura de ebulição da água evitava o uso de temperaturas negativas. Após a sua morte, os “pontos fixos” 0 e 100 foram trocados, ficando a escala como hoje a conhecemos. Dada à natureza da escala, a sua unidade chamou-se “grau centígrado” durante muitos anos. Em 1948 o CIPM (Comité International des Poids et Mesures) decidiu substituir aquela designação por “graus Celsius”.
Daniel Gabriel Fahrenheit, físico alemão, por sua vez, fez muitas descobertas, mas não se tornou conhecido em todo o mundo por suas pesquisas e sim pela escala termométrica batizada com seu nome. 
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. 
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 os colocava (um a um) 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 já deve saber a temperatura de ebulição da água a uma pressão bem estabelecida, a qual denominou 212.
Já William Thomson engenheiro, matemático e físico britânico, foi umas das mais ilustres figuras da ciência na era vitoriana. Mais conhecido pelo seu titulo de nobreza, Lord Kelvin, foi quem pela primeira vez estabeleceu a existência teórica de uma situação em que as partículas da matéria estariam totalmente desprovidas de energia e, portanto, paradas.
Kelvin realizou muitas experiências com gases e observou que, quando mantidos em recipientes de volume constante, exerciam pressões cada vez menores – portanto com moléculas em estado de agitação mais baixa – à medida que a temperatura era diminuída.
Extrapolando os resultados obtidos com gases a temperaturas próximas à temperatura de fusão do gelo, Kelvin concluiu que deveria existir uma temperatura, extremamente baixa, na qual a pressão do gás seria nula, ou seja, um estado no qual as moléculas do gás simplesmente parariam.
A essa situação teórica, que se sabe hoje ser inalcançável na pratica, recebe o nome de zero absoluto e a ela associou-se a temperatura igual a zero. Por isso esta escala termométrica é chamada de escala absoluta. Atualmente questiona-se se, de fato poderia ser nula a energia das moléculas no zero absoluto, mas de qualquer modo não há duvida de que, nessa situação, a energia cinética das moléculas é mínima. 
Se existisse um termômetro que medisse temperaturas desde o zero absoluto, a escala desse termômetro estaria dividida em 273 partes desde sua origem até o ponto de fusão do gelo. Se a escala continuasse, esse termômetro indicaria 373 K para a temperatura em que a água ferve sob pressão normal.
 Relações entre as escalas termométricas
A figura a seguir representa três termômetros devidamente graduados, respectivamente, nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin. 
Para relacionar as escalas e determinar uma relação de conversão entre elas elaboramos uma expressão de proporção da seguinte forma:
Para converter grau Celsius (ºC) em Kelvin (K), de uma forma bem mais simples, basta adicionar 273 na relação abaixo:
Exemplo: Ao tomar a temperatura de um paciente, um médico só dispunha de um termômetro graduado em graus Fahrenheit. Para se precaver, ele fez antes alguns cálculos e marcou no termômetro a temperatura correspondente a 42 ºC (temperatura critica do corpo humano). Em que posição da escala do termômetro ele marcou essa temperatura? 
106,2	 b) 107,6 	c) 102,6	 d) 180,0 	e) 104,4
Exercícios
1. O que você entende por sensação térmica? 
2. O que é temperatura? 
3. Explique com suas palavras o que você entende por equilíbrio térmico. 
4. Quais são as escalas termométricas mais usadas? 
5. O que é o zero absoluto? 
6. Defina calor. 
7. Determine o valor da temperatura de 78 K em: 
a) Graus Celsius (°C) 
b) Graus Fahrenheit (°F)
8. (Ufrrj 2004) Um mecânico, medindo a temperatura de um dispositivo do motor do carro de um turista americano, usou um termômetro cuja leitura digital foi de 92°C. Para que o turista entendesse melhor a temperatura, o mecânico teve de converter a unidade de temperatura para Fahrenheit. Qual foi o valor da temperatura após esta conversão?
9. No Rio de Janeiro, a temperatura ambiente chegou a atingir, no verão de 1998, o valor de 49°C. Qual seria o valor dessa temperatura, se lida num termômetro graduado na escala Fahrenheit?
10. Lê-se no jornal que a temperatura em certa cidade da União Soviética atingiu, no inverno, o valor de 14°F. Qual o valor dessa temperatura na escala Celsius?
11. Um termômetro bem aferido, graduado na escala Fahrenheit, acusou, para a temperatura ambiente em um bairro de Belo Horizonte, 77°F. Expresse essa temperatura na escala Celsius.
12. Um corpo
se encontra á temperatura de 27°C. Determine o valor dessa temperatura na escala Kelvin.
13. Uma pessoa tirou sua temperatura com um termômetro graduado na escala Kelvin e encontrou 312 K. Qual o valor de sua temperatura na escala Celsius?
14. Três termômetros de mercúrio são colocados num mesmo líquido. Atingido o equilíbrio térmico, o graduado na escala Celsius registra 40°C, o graduado na escala Kelvin indica 313 K e o graduado na escala Fahrenheit marca 104°F. Qual desses termômetros está provavelmente incorreto.
Calorimetria
 Introdução
É muito comum no nosso dia-a-dia, as pessoas reclamarem: - Está um calor de “rachar”! Está um frio de “doer”!
Para o nosso conforto físico e proteção do organismo, usamos roupas adequadas a cada estação. È comum também utilizarmos equipamentos ambientais, como ar-condicionado, ventiladores, aquecimento central, etc.
O calor cozinha alimentos aquece a água, seca a roupa, etc.
Na indústria o calor é largamente utilizado nos transportes, movimentando automóveis, aviões, navios e foguetes, devido à queima de combustíveis.
O calor faz girar turbinas, fabricar cerâmicas, transformar plásticos, enfim, o calor está presente em todas as atividades humanas: medicina, engenharia, indústria, transportes, doméstica, etc.
O calor que o homem utiliza provém de várias fontes; as principais são: o sol, a terra, reações químicas, atrito, energia nuclear e energia elétrica. 
Calorimetria é a parte da Termologia que se ocupa das medidas das quantidades de calor que os corpos trocam entre si.
Conceitos de calor
Podemos observar que colocando dois corpos de temperaturas diferentes, um em contato com outro, o corpo mais quente vai se esfriando e o mais frio se aquecendo, até atingirem a temperatura de equilíbrio térmico (desde que não haja mudança de estado).
Isto ocorre porque existe uma transferência de uma espécie de energia do corpo mais quente para o corpo mais frio. Esta energia em movimento recebe o nome de calor.
Quando esta energia está localizada no corpo, ela recebe o nome de energia térmica. 
 Quantidade de calor (Q)
É a forma de se medir a energia em movimento de um corpo para outro e é representada pela letra Q.
A unidade de medida de calor é a caloria (cal).
Caloria: é a quantidade de calor necessária para elevar um grama de água em 1 °C, sob pressão normal.
Apesar de a caloria ser a unidade mais usual, no sistema internacional (MKS), a unidade corresponde à quantidade de calor em joule (j).
1 cal = 4,18j
 Calor Sensível e Calor Latente
A faca exposta à chama do palito de fósforo sofre um aquecimento, isto é, um aumento de temperatura, sem que haja uma mudança de fase, o que é chamado de calor sensível.
A quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo que sofre apenas variação de temperatura, sem que haja mudança de estado físico, é chamada de calor sensível.
Um cubo de gelo a 0 °C, exposto à chama, absorve sem alterar sua temperatura até derreter completamente, quando então a água de fusão se aquece.
A quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo que sofre apenas mudança de estado físico, sem que haja variação de temperatura, é chamada de calor latente. 
Calor Específico (c)
Cada substância necessita de uma certa quantidade de calor para que 1g dessa substância sofra variação de 1 °C. Essa quantidade de calor é um característica de cada substância e é denominada calor específico. Representamos o calor específico pela letra c.
O calor específico da água é 1 cal/g°C, isto é, uma grama de água necessita de um caloria para que sua temperatura varie em graus Celsius.
A tabela a seguir indica o calor específico médio de alguns materiais, válidos entre 0 °C e 100 °C
Lembrando que o calor específico varia diretamente com a temperatura.
Capacidade Térmica (C)
É a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de uma substância em 1 °C.
A capacidade térmica do corpo é medida pela relação entre a quantidade de calor e a correspondente variação de temperatura que ocorre na substância. Representamos a capacidade térmica pela letra C.
 ou 
Exemplo: a água e o solo
Para entendermos melhor a capacidade térmica das substâncias. Vejamos por exemplo o que ocorre com a água e o solo.
A água tem capacidade térmica muito grande, por isso, durante o dia, ela absorve muito calor sem se aquecer muito e, durante a noite, libera muito calor sem se esfriar muito.
O solo, por sua vez, tem capacidade térmica pequena, então, durante o dia, ele se aquece rapidamente e, durante a noite esfria facilmente.
Como a capacidade térmica da água é maior, ela demora mais para esquentar ou esfriar.
Já o solo, como tem capacidade térmica menor, esquenta ou esfria mais rapidamente.
A unidade de capacidade térmica no sistema internacional (SI) é cal/°C.
Exercícios:
Determine a capacidade térmica de um corpo que se encontra inicialmente a 25 °C e, ao receber 4000 calorias, sua temperatura atinge 45 °C.
Solução:
Dados:
Em primeiro, calculamos a variação de temperatura 
sofrida pelo corpo:
Como foram dadas a quantidade de calor Q e a variação de temperatura, utilizamos a equação 
. 
Qual a capacidade térmica de um bloco de prata de 500g? cag=0,056 cal/°C.
Um corpo inicialmente a 20 °C. Após receber 600 cal, sua temperatura passa a ser 60 °C. Determine sua capacidade térmica.
Um corpo tem capacidade térmica 30 cal/°C. Sabendo que após receber 1.500 cal sua temperatura passa a ser 50°C, determine sua temperatura anterior.
Equação Fundamental da Calorimetria.
Considere um corpo de massa m à temperatura 
. Fornecendo uma quantidade de calor Q a esse corpo, sua temperatura aumenta para 
. 
Isso mostra que a quantidade de calor Q é proporcional à massa e à variação de temperatura 
, então:
 ou 
O produto 
 é a capacidade térmica do corpo:
Se 
Como: 
, logo 
É importante notar que, ao fornecer certa quantidade de calor ao corpo, sua temperatura aumenta. 
, esta quantidade de calor é chamada de calor recebido.
Agora, se retirarmos calor do corpo, sua temperatura diminui.
, esta quantidade de calor é chamada de calor cedido.
Exercícios
Determine a quantidade de calor necessária que deve ser fornecida a um bloco de ferro inicialmente a 20 °C e de massa 200g, para que sua temperatura aumente para 50 °C. Dado: cfe= 0,114 cal/g°C
Solução:
, calor recebido.
Um bloco de chumbo de massa 500g encontra-se a 25 °C. Determine sua temperatura após receber 1.200 cal. (cPb=0,030 cal/g°C)
Um bloco de cobre de massa 600g encontra-se a 50 °C. Determine sua temperatura após ter cedido 2760 cal. (cCu= 0,092 cal/g°C)
Determine a temperatura de um bloco de aço de massa 300g inicialmente a 70°C, após ele ter cedido 2.700 cal. (caço= 0,12 cal/g°C)
Referências Bibliográficas
FREITAS, C E PUENTES, M. Física. São Paulo: Frase, 2001. 
FERRARO, N E TOLEDO, P. Física Básica. São Paulo: Atual, 1998.
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