Temperatura - Escalas de Temperatura

Temperatura - Escalas de Temperatura

Calor

Quando um corpo esquenta ou esfria o que acontece dentro dele?

Até o final do século XVIII, a maior parte dos cientistas acreditava na existência de uma substância invisível, chamada calórico, que seria responsável pelo aquecimento (ou resfriamento) dos corpos. De acordo com essa ideia, um corpo esquentaria ao receber calórico e esfriaria ao perder calórico.

Porém, durante o século XIX, com o fortalecimento da teoria atômica da matéria, a ideia do calórico foi sendo abandonada.

Hoje nós sabemos que a matéria é feita de átomos os quais podem se agrupar para formar as moléculas, como aprendemos nas aulas de Química.

As moléculas não ficam em repouso. Mesmo nos corpos sólidos, as moléculas (ou átomos) estão em constante estado de vibração. Quando um corpo esquenta é porque suas moléculas vibram mais rapidamente. Quando um corpo vai esfriando é porque suas moléculas vão diminuindo a velocidade de vibração.

No estudo da mecânica nós vimos que um corpo de massa m e velocidade v tem energia cinética dada por

As pesquisas realizadas no fim do século XIX e início do século XX mostraram que:

Se dois corpos estão igualmente quentes, as moléculas dos dois corpos têm a mesma energia cinética (em média).

Portanto, as sensações de quente e frio estão relacionadas com a energia cinética (média) das moléculas dos corpos. à medida que um corpo se aquece, a energia cinética média de suas moléculas vai aumentando.

Com essas novas ideias, o calor passou a ser encarado como uma forma de energia, que passa de um corpo quente para um corpo frio. Essa transferência de energia é interrompida quando os corpos estiverem igualmente quentes; nesse momento dizemos que os corpos estão em equilíbrio térmico.

Mais adiante estudaremos com mais detalhes como essa transferência de energia pode ser feita.

Temperatura

Quando dois corpos estão igualmente quentes dizemos que eles têm a mesma temperatura.

Se um corpo A está mais quente que um corpo B, dizemos que a temperatura de A é maior que a temperatura de B. Porém, ao decidirmos se um corpo está mais quente que outro, não podemos confiar em nossos sentidos. Para mostrar como nossos sentidos podem nos enganar, podemos realizar o experimento a seguir.

Tome três recipientes contendo água quente, morna e fria. Coloque a mão direita na água fria e a mão esquerda na água quente (Fig.1) durante alguns segundos.

       fria        morna      quente     
(Fig. 1)

Em seguida, coloque as duas mãos na água morna (Fig.2). Você perceberá que, para a mão direita a água morna parecerá quente enquanto para a mão esquerda ela parecerá fria.

       fria         morna       quente
(Fig. 2)

Precisamos então de um processo mais preciso para decidirmos se um corpo está mais quente (ou mais frio) que outro. Isso é feito usando aparelhos chamados termômetros: são aparelhos que medem a temperatura de um corpo.

Os termômetros são construídos aproveitando o fato de que algumas propriedades dos corpos são alteradas quando o corpo se aquece (ou esfria). Umas dessas propriedades é o volume. A maioria das substâncias aumentam de volume quando são aquecidas e diminuem de volume quando esfriam. é com base nessa propriedade que são construídos, por exemplo, os termômetros clínicos (Fig.3) usados pelos médicos para verificarem se estamos com febre.

Nesse termômetro há um bulbo contendo mercúrio. à medida que a temperatura aumenta, o mercúrio se dilata (isto é, aumenta de volume) e sobe por um estreito tubo, chamado capilar. Para cada comprimento da coluna de mercúrio teremos um valor da temperatura. Mas como dar esses valores? Desde o século XVII, quando foram construídos os primeiros termômetros, isso foi feito de vários modos. O modo mais usado atualmente leva ao estabelecimento de uma escala de temperatura, chamada escala Celsius, em homenagem ao físico sueco Anders Celsius (1701 - 1774) que foi quem propôs essa escala.

Escala Celsius

A escala Celsius é estabelecida tomando duas situações fáceis de serem reproduzidas: o gelo em fusão (derretendo) e água fervendo. Mais adiante nós estudaremos com mais detalhes essas duas situações mas, por enquanto, basta mencionar que:

1°) durante a fusão do gelo a temperatura permanece constante.

2°) durante a fervura da água, a temperatura também fica constante.

O processo de fervura é também chamado de ebulição.

Assim, o termômetro é colocado primeiramente em contato com o gelo em fusão (Fig.4). Esperamos algum tempo até ser atingido o equilíbrio térmico. Quando isso for conseguido diremos que a temperatura é zero grau Celsius (0° C). Depois colocamos o termômetro em contato com o vapor da água em ebulição (Fig.5). Após o equilíbrio térmico ser atingido diremos que a temperatura é 100 graus Celsius (100° C). O espaço entre 0° C e 100° C é dividido então em 100 partes iguais e cada parte corresponde a 1 grau Celsius.

Fig. 4
Fig. 5

A temperatura 0° C não é a temperatura mais baixa possível. Podemos obter temperaturas menores. Por exemplo, no inverno dos países do hemisfério norte, frequentemente são atingidas temperaturas negativas na escala Celsius.

Observações

1ª) Mais tarde veremos que as temperaturas em que o gelo se funde e a água ferve, dependem da pressão externa. Assim, por convenção, e escala Celsius é estabelecida num local em que a pressão atmosférica é normal (1 atm).

2ª) Em jornais, revistas ou noticiários da TV às vezes fala-se em "grau centígrado". Esse nome era usado antigamente mas hoje não é correto; no seu lugar devemos falar "grau Celsius".

Exemplo 1

Em um termômetro de mercúrio, a coluna de mercúrio tem comprimento 10 cm à temperatura 0° C e comprimento 40 cm à temperatura 100° C. Qual a temperatura quando a coluna tiver comprimento de 28 cm?

Resolução

Simbolizando a temperatura por , na figura a seguir resumiremos os dados do problema.

Para resolver problemas desse tipo fazemos uma proporção entre os segmentos de comprimentos x e y assinalados, na figura abaixo.

Outros Termômetros

Em vez do mercúrio podem ser usados outros líquidos na construção de termômetros. Em termômetros caseiros cuja função é medir a temperatura ambiente, frequentemente é usado o álcool.

A utilidade de cada líquido está limitada ao intervalo de temperatura que vai da temperatura de fusão à de ebulição (temperatura em que ferve). Por exemplo, para o álcool e o mercúrio, as temperaturas de fusão e ebulição (sob pressão normal) são:

 
Temperatura de fusão
Temperatura de ebulição
mercúrio
-39° C
357° C
álcool
-114° C
78,3°C

Como vemos, abaixo de -39° C, o mercúrio está no estado sólido e acima de 357° C ele está na forma gasosa; portanto ele só é útil para medir temperaturas entre -39° C e 357° C. Já o álcool só é útil para medir temperaturas entre -114° C e 78,3° C.

Para medir temperaturas fora desses intervalos são usadas outras propriedades como, por exemplo, propriedades elétricas que veremos mais tarde.

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