Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


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térmica com o que está ao 
seu redor. Ele é posto cm contato com um sistema maior cuja temperatura deverá medir. 
Em um termômetro comum com tubo de vidro, por exemplo, um pequeno volume de 
mercúrio ou álcool se expande ou se contrai quando colocado em ~ontato com um objeto 
"quente" ou "frio". A temperatura do objeto é determinada pelo comprimento da coluna 
de líquido. 
Outros exemplos de termômetros são: 
\u2022 Fitas bimetálicas (duas lâminas de diferences metais soldadas lado a lado), que se 
enrolam e desenrolam conforme muda a temperatura. São usadas cm termostatos, 
como o que você tem em sua casa. 
\u2022 Termopares, que geram uma pequena voltagem dependente da temperatura. Os ter-
mopares são amplamente utilizados para medir temperaturas em ambientes inóspi-
tos, como o motor de um carro. 
\u2022 Gases ideais, cuja· pressão varia com a temperatura. Analisaremos cm breve um 
exemplo de um termômetro de gás. 
Um termômetro precisa de uma escala de temperatura para ser um instrumento útil. 
Em 1742, o astrônomo sueco Anders Celsius vedou mercúrio em um pequeno tubo ca-
pilar e observou como ele se movia para cima e para baixo conforme a temperatura mu-
dava. Ele selecionou duas temperaturas que qualquer um poderia reproduzir, os pontos 
....... 
--
-
A dilataçao térmica faz o nível do líquido 
do termômetro subir mais no caso da água 
quente do que no da água gelada. 
486 Física: Uma Abordagem Estratégica 
(a) 
(b) 
Manômecro marcando 
a pressão absoluta 
Esfera 
rígida cheia 
de gás 
Sisiema cuja 
temperatura deve 
ser medida 
Cada termômecro de 
gás é calibrado em 
p 
OºC e IOOºC ... ., .............. ········ Gas l 
Pontos de 
. ············.... ···~ · 
Gas2 
=:::..--+--..,..- Gas 3 
_,.....,.-=--.---~--+----.--T (ºC) 
-300 o 100 
T0 = - 273ºC 
FIGURA 16.2 A pres~o extrapolada em um 
termômetro de gás a volume constante 
é nula em T0 = - 273º(. Isto constitui a 
base para o conceito de zero absoluto. 
de solidificação e de ebulição da água pura, e rotulou-as como O e 100, respectivamente. 
Depois dividiu o comprimento do tubo de vidro entre estes dois pontos de referência 
em cem intervalos iguais. Ao fazer isso, ele inventou a escala de temperatura que hoje 
chamamos de escala Celsius. A unidade da escala Celsius de temperatura é o "grau 
Celsius'', que abreviamos por ºC. Note que o símboloº, para grau, faz parte da unidade, 
e não, do número. 
NOTA .,.. Em razão dos 100 intervalos iguais, a escala Celsius também é chamada de 
escala centígrada. ~ 
A escala Fahrenheit, ainda amplamente utilizada nos Estados Unidos, está relacio-
nada à escala de Celsius por 
9 
TF = - Te+ 32º 5 (16.6) 
A Tabela 16.4 lista diversas temperaturas expressas nas escalas Celsius e Fahrenheit, 
bem como na escala Kelvin. 
TABELA 16.4 Temperaturas medidas com escalas distintas 
Temperatura T(ºC) T(K) T(ºF) 
Ponto de fusão do ferro 1538 1811 2800 
Ponto de ebulição da água 100 373 212 
Temperatura normal do corpo 37,0 310 98,6 
Temperatura ambiente 20 293 68 
Ponto de solidificação da água o 273 32 
Ponto de ebulição do nitrogênio -196 77 -321 
Zero absoluto -273 o -460 
Zero absoluto e temperatura absoluta 
1 
Qualquer propriedade física que varie com a temperatura pode ser usada como um ter-
mômetro. Na prática, os termômetros mais úteis são os que se baseiam em uma proprie-
dade física que varia linearmente com a temperatura. Um dos termômetros científicos 
mais importantes é o termômetro de gás a volume constante, representado na FIGURA 
16.2a . Este termômetro se baseia no fato de que a pressão absoluta (e não a pressão ma-
nométrica) de um gás em um recipiente vedado aumenta linearmente conforme a tempe-
ratura cresce. 
Um termômetro de gás é, primeiramente, calibrado registrando-se a pressão do gás 
para duas temperaturas de referência, tais como os pontos de ebulição e solidificação da 
água. Esses dois pontos são plotados em um gráfico da pressão versus temperatura, e 
uma linha reta é traçada entre eles. O reservatório de gás, então, é posto em contato com 
o sistema cuja temperatura deve ser medida. A pressão é medida e, a seguir, a tempera-
tura correspondente é lidâ com base no gráfico. · 
A FIGURA 16.lb mostra a relação entre pressão e temperatura para três gases distintos. 
Note dois aspectos importantes deste gráfico: 
1. Há uma relação linear entre a temperatura e a pressão. 
2. Extrapolando-se os gráficos, todos os gases tendem à pressão zero para a mesma 
temperatura: T0 = -273°C. Na realidade, nenhum gás fica tão frio sem congelar, 
embora o hélio chegue bem próximo disso, mas é surpreendente que se obtenha 
a mesma temperatura extrapolada de pressão zero para qualquer que seja o gás 
usado e para qualquer que seja sua pressão inicial. 
~ressão de um gás se deve.às colisões en~ulas e delas contra as 2a-
redes do recij)íeõte"~ prçssão nula significaria-_q.ue cessou todo o movimento e.:.l:°r-
fãiíto, que naõ nmis ocorrem colisões. Se não houvesse movimento atômico, a energia 
teríiiiêã<IÕ sistema sena nula. A: temperatura na qual todo o movimento cessaria, e na 
qual E .. rm = O, é chamada de zero absoluto. Uma vez que a temperatura está relacionada 
à energia térmica., o zero absoluto é a menor temperatura que apresenta significado ffsi-
' . 
T 
CAPÍTULO 16 \u2022 Uma Descrição Macroscópica da Matéria 487 
co. A partir dos dados do termômetro de gás, podemos verificar que T0 = - 273ºC. Na 
próxima seção, enunciaremos uma definição um pouco mais precisa do zero absoluto. 
É útil dispor de uma escala de temperatura com o ponto zero correspondendo ao zero 
absoluto. Tal escala de temperatura é denominada escala de temperatura absoluta. 
Qualquer sistema cuja temperatura seja medida com base em uma escala absoluta terá 
T > O. A escala de temperatura absoluta que apresenta o mesmo tamanho de unidade 
da escala Celsius é chamada de escala Kelvin. Ela é a escala de temperatura do SI. A 
unidade da escala Kelvin é o kelvin, abreviado por K. A conversão entre a escala Celsius 
e a escala Kelvin é 
(16.7) 
NOTA .,,. A unidade da escala Kelvin é, simplesmente, o &quot;kelvin&quot;, e não, &quot;grau Kel-
vin&quot;. &quot;4 
Na escala Kelvin, o zero absoluto é O K, o ponto de solidificação da água é 273 K e 
o ponto de ebulição da água é 373 K. Embora a maioria dos aparelhos macroscópicos 
práticos utilizem temperaturas na faixa de = 100 K a =1000 K, é importante mencionar 
que os cientistas estudam as propriedades da matéria a temperaturas tão baixas quanto 
= 10- 9 K ( 1 nK), em um extremo, e tão altas quanto = 107 K, no outro! 
IM111PB1S1m 1 A temperatura de um copo d' água aumenta de 20ºC para 30ºC. Quanto 
vale tiT? 
a. IOK b. 283 K c. 293 K d. 303 K 
16.4 Mudanças de fase 
A temperatura no congelador de uma geladeira é, tipicamente, em tomo de -20ºC. Su-
ponha que você retirasse alguns cubos de gelo do congelador, os colocasse em um reci-
piente lacrado contendo um termômetro e, então, os aquecesse, conforme mostrado a 
FIGURA 16.la. Suponhamos também que o aquecimento fosse efetuado tão lentamente que 
o interior do recipiente sempre tivesse temperatura única e bem-definida. 
A FIGURA 16.3b representa a temperatura em função de tempo. Após aumentar de 
forma constante a partir dos - 20ºC iniciais, a temperatura permanece fixa em OºC por 
um período prolongado de tempo. Este é o intervalo de tempo durante o qual o gelo der-
rete. Enquanto está derretendo, a temperatura do gelo é de OºC, e a temperatura da água 
líquida também é de OºC. Mesmo que o sistema esteja sendo aquecido, a temperatura da 
água líquida não começa a subir até que todo o gelo tenha derretido. Se você desligasse 
o fogo em algum momento, o sistema permaneceria como uma mistura de gelo e água 
líquida a OºC. 
NOTA .,,. Na linguagem do cotidiano, as três fases da águá são chamadas de gelo, 
água e vapor, ou seja, o termo água implica