04-11-2015
ESTUDO DA
TERMOLOGIA
Professor Paulo Christakis, M.Sc.
Professor de Ciências – Física
04-11-2015
INTRODUÇÃO
A termologia é o capítulo da física que estuda os
fenômenos ligados a uma forma de energia capaz de
aquecer, resfriar ou mudar o estado físico de uma
substância (o calor). A termometria estuda a temperatura.
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TEMPERATURA
É a grandeza que mede o nível de
agitação das partículas (átomos,
moléculas, íons, etc.) de um corpo.
Quanto mais agitadas estiverem as
partículas de um corpo, maior será sua
temperatura.
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EXPERIÊNCIA DE JOHN LOCKE
O tato é um método de verificação de temperatura muito
limitado, pois não podemos tocar em objetos muitos
quentes ou muito frios. O garoto após colocar as duas
mãos na água morna terá sensação de quente com a
mão direita e de frio com a mão esquerda, ou seja, duas
sensações diferentes para uma mesma temperatura.
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EQUILÍBRIO TÉRMICO
Quando dois ou mais corpos que possuem temperaturas
diferentes estão num recinto isolado termicamente, após
certo intervalo de tempo eles atingem o equilíbrio
térmico (mesma temperatura).
Ex: Um feijão retirado do fogo e um copo com água da geladeira são
colocados sobre a mesa. Após alguns minutos, observamos que ambos
atingiram a temperatura ambiente (o feijão “esfriou” e a água “esquentou”).
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TERMÔMETRO
A palavra termômetro origina-se do grego thermo que
significa quente e metro que significa medida. Assim,
termômetro é definido como o instrumento que mede
temperatura.
A construção de um termômetro está baseada no uso
de alguma grandeza física que depende da
temperatura, como o volume de um gás mantido a
pressão constante, o volume de um corpo e a
resistência elétrica de condutores metálicos entre
outras grandezas.
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Para a medida da temperatura de um corpo com um
termômetro, é preciso esperar o equilíbrio térmico,
isto é, quando em contato com o corpo, precisamos
esperar alguns minutos para que o termômetro e o
corpo estejam a mesma temperatura, e assim,
podernos medir seu valor.
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Contudo, é preciso cuidar de escolher termômetros
próprios para que se consiga atingir os objetivos, pois
a massa do termômetro deve ser bem menor que a
massa do objeto cuja temperatura queremos medir,
caso contrário o termômetro poderá alterar a
temperatura do corpo, como por exemplo, um
termômetro comum e uma gota de água.
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Contudo, é preciso cuidar de escolher termômetros
próprios para que se consiga atingir os objetivos, pois
a massa do termômetro deve ser bem menor que a
massa do objeto cuja temperatura queremos medir,
caso contrário o termômetro poderá alterar a
temperatura do corpo, como por exemplo, um
termômetro comum e uma gota de água.
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O termômetro clínico da foto está graduado
simultaneamente nas escalas Celsius (entre 35 0 C e
42 0 C) e Fahrenheit (entre 94 0 F e 108 0 F). A
graduação é feita apenas entre esses valores
extremos porque eles correspondem aos limites da
temperatura do corpo humano.
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Esse termômetro utiliza a dilatação de líquidos,
principalmente o mercúrio. São construídos para
medir temperaturas entre 34oC e 43oC que são
consideradas
temperaturas
críticas,
pois
a
temperatura considerada normal de nosso corpo é
36,5oC.
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Apresenta um tubo capilar com um
estrangulamento na base, junto ao
bulbo, o que permite a passagem
do mercúrio quando sofre a
dilatação, mas que impede o seu
retorno quando se contrai, por isso
este termômetro continua indicando
a temperatura do corpo mesmo
sem contato com o corpo e por um
longo intervalo de tempo mesmo
que o termômetro seja levado a um
local com temperatura mais baixa.
Para que o líquido termométrico
volte à posição inicial no interior do
bulbo, é necessário sacudi-lo
rapidamente.
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Mais moderno que o termômetro clínico comum são
os termômetros de cristal líquido também utilizados
para a medida da temperatura do corpo humano. São
pequenas faixas plásticas transparentes com
pequenos retângulos que contêm um cristal líquido
que entram em contato com o corpo e, conforme o
valor da temperatura, o cristal no seu interior, muda
de cor. Porém, os especialistas dizem que não são
muito confiáveis.
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Da mesma forma que o clínico, há o termômetro a
álcool, normalmente utilizado em laboratório de
ciências, pois possui escala entre -10oC e 150oC. É
também usado em residências, para verificar a
temperatura ambiente.
Alguns termômetros desse tipo utilizam corantes
vermelhos, possuindo um custo mais baixo que o de
mercúrio, e além disso, são menos prejudiciais a
nossa saúde, pois o mercúrio é um metal tóxico e um
de seus efeitos colaterais é a doença renal.
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Há os termômetros de máxima e
mínima que, como o próprio nome
sugere, indicam a temperatura mais
alta e a mais baixa atingida pelo
termômetro em um certo intervalo de
tempo.
São termômetros utilizados em
meteorologia, sendo que, com uma
única leitura, pode-se determinar a
temperatura máxima e mínima
atingida desde a última vez que o
termômetro foi ajustado de modo que
a temperatura máxima e mínima
viessem a coincidir entre si e com a
temperatura ambiente.
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Quando a temperatura aumenta o
álcool se dilata e passa livremente
pelo flutuador fazendo com que o
mercúrio se expanda levando o
flutuador
a
correspondente
temperatura - a máxima. Quando a
temperatura diminui o álcool se
contrai e leva o mercúrio e,
consequentemente, o outro flutuador
que registra a menor temperatura - a
mínima.
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A coluna de mercúrio apresenta o
formato da letra "U" e em suas
extremidades há dois bulbos: um
totalmente preenchido por álcool e o
outro só parcialmente.
Nos extremos das colunas de
mercúrio há dois flutuadores de ferro
esmaltado que são os índices das
temperaturas, pois sobem quando o
mercúrio se dilata, mas que ficam
presos ao tubo capilar quando o
mercúrio se contrai devido ao atrito
com a parede do tubo e só retornam
a posição original com o auxílio de um
ímã.
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Os termômetros a gás medem a temperatura através
da leitura da pressão do gás mantido a volume
constante. Pode ser graduado fazendo com que cada
volume corresponda a um valor de temperatura na
escala Celsius, por exemplo.
São utilizados para a medida de baixas temperaturas,
usando-se o gás hélio, cuja temperatura de
condensação, sob pressão atmosférica, é de
aproximadamente -269oC.
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Atualmente são utilizados os termômetros de
radiação que atuam a grandes distâncias, isto
é, sem contato com o objeto. São usados nos
satélites meteorológicos para a obtenção da
temperatura na atmosfera e na superfície da
Terra e podem medir temperaturas entre -50oC
e 3000oC.
Pode ser utilizado para a medida de
temperatura de qualquer sistema que emite
radiação eletromagnética na forma de luz
visível ou radiação infravermelha, assim como
a radiação de corpo negro. Um exemplo de
termômetro desse tipo é o pirômetro óptico.
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Através da radiação infravermelha, pode-se fazer a
imagem da distribuição de temperatura do corpo
humano localizando infecções, ou detectar problemas
com a rede elétrica encontrando os pontos onde os
fios estão mais quentes.
Também são usados em equipamentos de visão
noturna sendo possível identificar pessoas, animais e
até vegetais mais quentes que outros em uma
floresta. A essa técnica dá-se o nome de termografia.
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Para altas temperaturas utiliza-se o termômetro
conhecido por pirômetro óptico que é utilizado para
a medida de temperaturas de metais incandescentes,
fornalhas ou estrelas, pois pode ser usado à distância
e pode medir temperaturas acima do ponto de fusão
dos materiais que o constituem.
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Há ainda o termômetro de lâmina bimetálica que é
constituído por duas lâminas de metais diferentes
soldadas uma com a outra e que, quando aquecidas,
dilatam-se. Como os metais são diferentes, com a
variação de temperatura, um se dilata mais que o
outro o que provoca um encurvamento da lâmina. Há
também os que tem forma de espiral com uma
extremidade fixa e a outra livre, com um ponteiro que
gira com o aquecimento indicando a temperatura em
um mostrador.
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Termômetros
desse
tipo
funcionam
entre
temperaturas de -5oC e 300oC e são utilizados no
controle de temperatura de fornos, ferros elétricos e
saunas.
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Existem ainda os termômetros digitais baseados em
propriedades elétricas ou eletrônicas. Podem ser
encontrados em relógios de pulso e em equipamentos
eletrônicos como computadores.
A medida da temperatura é feita através da variação
de suas características elétricas. Os mais comuns
utilizam um resistor que faz parte de um circuito
elétrico que aciona o indicador de temperatura de
acordo com o valor da resistência.
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O controle da temperatura e sua medida também são
realizadas através dos dispositivos denominados
termopares que são usados em painéis de
automóveis para a indicação da temperatura do
motor. Geralmente há uma lâmpada que acende
quando há superaquecimento. Podem medir até
1800oC, sendo também utilizados na indústria, na
medida da temperatura de fornos de fundição de
metais e vidros.
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ESCALAS TERMOMÉTRICAS
É um conjunto de valores numéricos em que cada valor
está associado a uma temperatura. Os valores de uma
escala termométrica são obtidos arbitrariamente e
atribuídos a dois estados térmicos denominados pontos
fixos, conforme a seguinte descrição:
1.º ponto fixo: corresponde ao ponto de gelo
(temperatura na qual podemos encontrar gelo e água em
equilíbrio térmico sob pressão normal – 1 atm).
2.º ponto fixo: corresponde ao ponto de vapor
(temperatura de ebulição da água sob pressão normal).
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Escala Celsius
É a escala mais utilizada no mundo inteiro. Foi idealizada
pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (17011744). Essa escala foi apresentada e oficializada em
1742 em uma publicação da Real Academia Sueca de
Ciências. O primeiro ponto fixo corresponde a 0°C e o
segundo ponto fixo a 100°C. A escala Celsius é dividida
de forma centesimal, ou seja, o intervalo entre os dois
pontos fixos é dividido em 100 partes iguais. A cada parte
corresponde a temperatura de 1 grau Celsius.
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Escala Fahrenheit
A escala Fahrenheit é utilizada geralmente nos países de
língua inglesa. Foi proposta pelo físico alemão Daniel
Gabriel Fahrenheit (1686-1736). A princípio, ele propôs
para uma mistura de gelo e cloreto de amônia a
temperatura de 0°F e, para o corpo humano, 100°F.
Quando a água começou a ser utilizada como substância
de referência, a relação para o primeiro ponto fixo
passou a ser 32°F e, para o segundo ponto fixo, 212°F. A
divisão dessa escala entre os pontos fixos é de 180
partes.
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Escala Kelvin (escala absoluta)
Kelvin (símbolo K) é o nome da unidade de temperatura
do Sistema Internacional de Unidades e recebe o nome
do físico e engenheiro britânico William Thomson (18241907), que se tornou Lorde Kelvin. Esse físico propôs
para o primeiro ponto fixo a temperatura de 273 K (não
se usa a expressão grau) e, para o segundo ponto fixo, a
temperatura de 373 K. O intervalo entre os pontos fixos é
o mesmo da escala Celsius, 100 partes. A escala
formulada por Kelvin é absoluta, pois tem seu início no
zero absoluto. Essa escala não admite temperatura
negativa.
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Escala Kelvin (escala absoluta)
Kelvin (símbolo K) é o nome da unidade de temperatura
do Sistema Internacional de Unidades e recebe o nome
do físico e engenheiro britânico William Thomson (18241907), que se tornou Lorde Kelvin. Esse físico propôs
para o primeiro ponto fixo a temperatura de 273 K (não
se usa a expressão grau) e, para o segundo ponto fixo, a
temperatura de 373 K. O intervalo entre os pontos fixos é
o mesmo da escala Celsius, 100 partes. A escala
formulada por Kelvin é absoluta, pois tem seu início no
zero absoluto. Essa escala não admite temperatura
negativa.
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Zero absoluto (0 K)
Quando elevamos a temperatura de um corpo,
aumentamos o estado de agitação de suas moléculas.
Ao diminuir essa temperatura, o estado de agitação das
moléculas também diminui. Se continuarmos reduzindo a
temperatura desse corpo, a tendência é cessar o
movimento das moléculas, chegando-se à menor
temperatura que um corpo poderia alcançar, situação
inatingível até os dias de hoje.
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Corresponde à temperatura em que as partículas de um
sistema cessariam seu movimento vibratório, isto é,
estado de agitação nulo. Essa temperatura é na realidade
apenas teórica, pois nunca se conseguiu tal valor. A
temperatura mais baixa até hoje conseguida foi de 2,8.10
(-10) K e está no Guinness, o livro dos recordes (feito
anunciado em 1993, realizado no Laboratório de baixas
Temperaturas da Universidade de Tecnologia de
Helsinque, na Finlândia).
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CONVERSÃO ENTRE AS ESCALAS
Às vezes é necessário transformar uma indicação na
escala Fahrenheit para escala Celsius e vice-cersa.
Abaixo mostraremos a relação que existe entre as
escalas Celsius, Fahrenheit e kelvin.
C: Temperatura Celsius
F: Temperatura Fahrenheit
K: Temperatura Kelvin
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CONVERSÃO ENTRE AS VARIAÇÕES
São comuns situações em que se observa a variação de
temperatura. Por exemplo: em certo dia, a temperatura
mínima em uma determinada cidade foi de 15°C, e a
máxima, de 25°C. A temperatura variou, então, 10°C.
Para determinar essa variação em outra escala, é
preciso utilizar as proporcionalidades entre as divisões
da escala.
ΔC: Variação Celsius
ΔF: variação Fahrenheit
ΔK: Variação Kelvin
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EXERCÍCIOS
1. Quando podemos dizer que dois corpos estão em
equilíbrio térmico?
2. Efetue as seguintes transformações:
a) 40°C em °F
b) 303 K em °C
c) 59°F em °C
d) 86°F em K
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CALOR
Consideremos a seguinte situação: um corpo mais
quente entra em contato com um corpo mais frio. Após
um tempo, os dois corpos ficam com temperaturas
iguais, pois atingem o equilíbrio térmico.
O que será que “passa” de um corpo para outro quando
eles estão com diferentes temperaturas? Será que o que
é transferido é a própria temperatura?
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Em 1770, o cientista britânico Joseph Black (1728-1799)
mostrou que, quando misturamos partes iguais de um
líquido (leite, por exemplo), inicialmente com
temperaturas
diferentes,
ocorre
uma
mudança
significativa das temperaturas de ambas as partes.
Todavia, se derramarmos um copo de leite morno em um
balde cheio de água a 0°C e com vários cubos de gelo
fundente, e isolarmos esse sistema, a temperatura do
leite mudará expressivamente, mas a da mistura de água
e gelo não. Com esse simples experimento, o cientista
demonstrou que “aquilo” que é transferido nesse
processo não é a temperatura.
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Assim, durante os processos citados, o que ocorreu foi
uma transferência de energia térmica do corpo mais
quente para o corpo mais frio até o momento em que
atingiram a mesma temperatura. Essa energia transferida
é denominada calor.
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Calor é a energia térmica em trânsito motivada por uma
diferença de temperatura. Essa energia é transferida
espontaneamente do corpo de maior temperatura para o
de menor temperatura. Sendo θA a temperatura do corpo
A, e θB a temperatura do corpo B, temos que:
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UNIDADES DE QUANTIDADE DE CALOR
Calor é uma forma de energia. Logo,
medir a quantidade de calor trocada em
Sistema Internacional será o joule (J).
estudo da Termologia, é muito comum
caloria (cal).
a unidade para
um processo no
No entanto, no
usar a unidade
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MODALIDADES DE CALOR
Fornecer ou retirar calor de um corpo
traz algumas consequências. Ele pode
tanto sofrer variações de temperatura
como mudar de estado físico. Por
exemplo, quando um pedaço de metal
é colocado sob uma chama, nota-se
que o calor recebido provoca uma
mudança na temperatura do metal. A
essa modalidade de calor é dado o
nome de calor sensível.
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Nessa fórmula, c é uma constante de proporcionalidade
denominada calor específico sensível, sendo uma
grandeza característica da substância. Seu valor está
sujeito à temperatura da substância e ao estado físico e
não depende da massa. A unidade usual do calor
específico é o cal/g°C.
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Quando um cubo de gelo é retirado do congelador e
deixado em contato com o meio ambiente, pode-se
observar uma mudança de estado, a fusão do gelo. A
essa modalidade de calor é dado o nome de calor
latente.
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A constante de proporcionalidade L é a quantidade de
calor que se deve fornecer para cada unidade de massa
da substância ou retirar dela para mudar de estado. A
unidade usual é a cal/g.
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O calor sensível e o calor latente não ocorrem
simultaneamente. Para exemplificar, vamos utilizar o
aquecimento de uma determinada massa de gelo
inicialmente a -10°C até sua transformação em vapor, a
130°C. As transformações estão indicadas no esquema
a seguir: