Nesse post é apresentado uma introdução a Termologia! Que é a área da Física que se dedica ao estudo dos fenômenos relativos ao aquecimento, resfriamento ou mudanças de estado físico em corpos que ganham ou perdem energia térmica.
Introdução
Em Termologia é estudado o comportamento dos corpos quando recebem ou perdem uma certa quantidade de energia que se denomina Energia Térmica. Também, estuda-se como essa energia muda de um corpo para outro e propaga-se através de um meio. Ao estudar tais fenômenos, tornou-se possível a invenção de diversas tecnologias como a máquina a vapor ilustrada pela Figura abaixo.
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| Trem a vapor, sua força mecânica vem dos princípios da Termologia e Termodinâmica! |
Um parâmetro muito importante no estudo da Termologia é a Temperatura.
Temperatura
A temperatura é uma grandeza que caracteriza o estado térmico de um sistema. É comum as pessoas avaliarem o estado térmico de um corpo pela sensação de quente ou frio que sentem ao tocá-lo. No entanto, isso é confiável? Pessoas diferentes experimentam sensações diferentes, logo a sensação de quente ou frio é subjetivo! Portanto, é necessário, para um maior rigor, definir uma grandeza física que descreva de forma precisa as noções de quente e frio. Tal grandeza é a Temperatura.
Observa-se que quando aquecemos um corpo as partículas e moléculas desse corpo ganham mais movimento cinético, ou seja, adquirem maior agitação térmica. Já quando esfriamos um corpo, observa-se que as moléculas diminuem sua agitação, ou seja, perdem energia cinética. Assim, conclui-se que a Temperatura está relacionada com a energia cinética do corpo. Mais precisamente, a temperatura é um valor numérico que descreve a agitação média das partículas de um corpo. A animação abaixo ilustra esta ideia! Tente variar a temperatura para ver o que acontece.
Equilíbrio Térmico
Quando um corpo quente é colocado em contato com um corpo frio, observa-se que após um determinado tempo ambos os corpos atingem a mesma temperatura. Quando isso acontece, dizemos que os corpos estão em equilíbrio térmico. Assim, define-se o equilíbrio térmico como
Dois ou mais sistemas físicos estão em equilíbrio térmico entre si quando suas temperaturas são iguais.
Como exemplo, pense em uma xícara de café bem quente deixada em uma mesa. Após um certo tempo, o café esfria até atingir a mesma temperatura do ambiente.
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| Xícara de café esfriando. |
Da mesma forma, se deixarmos um bloco de gelo sobre a mesa, após um determinado tempo o gelo esquenta e derrete até se tornar totalmente líquido e alcançar a temperatura do ambiente.
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| Bloco de gelo derretendo (esquentando). |
Medição da Temperatura
Visto que não podemos confiar nas sensações de quente e frio que sentimentos pelo nosso tato, devemos desenvolver um método para fazer a medição de forma confiável. Porém, como medir a agitações térmicas de um corpo? Visto que medir o movimento de cada partícula de um corpo não é uma tarefa fácil, devemos adotar um processo indireto de medição.
Tal processo indireto pode ser muito simples, basta adotar um segundo corpo de referência que apresente alguma variação de fácil medição em suas propriedades físicas e então, usando os conhecimentos de Física, calcular a temperatura desejada baseando-se na variação física deste corpo de referência.
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| Termômetro de Mercúrio. |
A esse corpo de referência, dá-se o nome de Termômetro. O mais conhecido é o Termômetro de Mercúrio.
O volume do mercúrio aumenta com o aumento da temperatura, portanto, temos como Grandeza Termométrica para esse caso o volume do mercúrio e Substância Termométrica o mercúrio. Assim, o valor da temperatura de um corpo colocado em contato com o termômetro é obtido através da leitura do comprimento da coluna de mercúrio existente dentro deste instrumento.
Note então que existem duas características importantes em um Termômetro, sendo:
- Substância Termométrica: substância em que uma de suas propriedades físicas (volume, comprimento, pressão etc.) sofre variação de forma mensurável com a temperatura.
- Grandeza Termométrica: é a propriedade física da substância termométrica que varia de forma mensurável com a temperatura.
$$
G=a\theta + b,
$$
em que $a$ e $b$ são constantes características do termômetro e ainda $a\neq 0$.
Hoje existem diversas categorias de termômetros, como os bimetálicos, termômetro óptico, à gás, termo resistores, semicondutores, etc., porém, mesmo os mais modernos realizam a medição da Temperatura de forma indireta.
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| Exemplo termômetro moderno: termômetro óptico (Pirômetro) |
Escalas Termométricas
Uma escala termométrica é um conjunto de valores numéricos em que cada valor numérico indica uma determinada temperatura.
Uma escala termométrica pode ser definida de forma arbitrária e com isso para uma mesma temperatura pode-se ter diferentes valores numéricos para diferentes escalas termométricas. Assim, para afirmar que a temperatura do corpo A é maior que a temperatura do
corpo B, ambos corpos devem ser comparados na mesma escala termométrica.
Os valores numéricos de uma escala termométrica são geralmente obtidos através da definição de dois estados térmicos de referência, chamados Pontos Fixos.
Na prática, adotai-se os Pontos Fixos Fundamentais, sendo:
- Ponto do Gelo: temperatura onde o gelo e a água permanecem em equilíbrio térmico quando sob pressão normal.
- Ponto do Vapor: temperatura onde a água entra em ebulição sob pressão normal.
Além do Ponto do Gelo e do Vapor, existe também o Ponto Tríplice da água, que consiste na temperatura onde a água apresenta equilíbrio térmico com os 3 estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Porém, por ser mais difícil de obter, é menos utilizado na prática.
Dentre as diversas escalas termométricas existentes, destaca-se três: Escala Celsius, Escala Fahrenheit e Escala Absoluta.
Escala Celsius
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| Anders Celsius (1701-1744) |
É a escala termométrica mais utilizada no mundo, foi criada pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744) e oficializada em 1742 pela Academia Real Sueca de Ciências. Nessa escala, adota-se 0 para Ponto do Gelo e 100 para o Ponto do Vapor.
Na escala Celsius temos 100 divisões iguais entre os pontos fixos, e cada divisão representa 1 grau Celsius, simbolizado por 1°C.
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| Escala Celsius |
Curiosidade
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| Escala Celsius Original |
É interessante lembrar que originalmente a escala Celsius adotava 0 para o Ponto do Vapor e 100 para o Ponto do Gelo. Foi um biólogo chamado Carl von Linné (1707-1778) que inverteu essa escala para a forma que conhecemos hoje.
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| Carl von Linné (1707-1778). Biólogo que inverteu a escala Celsius. |
Escala Fahrenheit
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| Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) |
Em 1708, o físico Alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), usando as ideias do astrônomo dinamarquês Ole Romer, estabeleceu uma escala termométrica com o 0 para a temperatura de uma mistura de gelo com cloreto de amônia e 100 para a temperatura do corpo humano. Posteriormente, adotou-se a água como referência e então estabeleceu-se 32 para o Ponto do Gelo e 212 para o Ponto do Vapor. Essa escala ficou conhecida como escala Fahrenheit sendo utilizada hoje em dia principalmente nos países de língua inglesa (ex: EUA).
Na escala Fahrenheit, temos 180 divisões iguais entre os pontos fixos e cada divisão corresponde a 1 grau Fahrenheit, simbolizado por 1°F.
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| Escala Fahrenheit. |
Escala Absoluta
O físico inglês William Thomson (1824-1907), mais conhecido como Lorde Kelvin, foi quem pela primeira vez na história concluiu, a partir de experimentos com gases em diferentes pressões e temperaturas, que a menor temperatura possível para um corpo é de -273.15°C. Tal temperatura foi denominada zero-absoluto, dando origem a escala Absoluta ou também chamada escala Kelvin.
Na escala Absoluta, adota-se 0 como zero-absoluto e utiliza-se o grau Celsius como unidade de variação. Assim, temos o Ponto do Gelo em 273 e o Ponto do Vapor em 373.
Obs: É importante notar que diferente da escala Celsius e Fahrenheit, na escala Absoluta convencionou-se de não utilizar o termo "grau". Assim 273K não deve ser interpretado como 273 graus Kelvin, mas apenas como 273 Kelvin.
Conversão de Escalas Termométricas
Sabendo que uma escala termométrica pode ser definida de forma arbitrária (você mesmo pode criar a sua própria escala termométrica se quiser), então é importante saber como transformar de uma escala para outra. As transformações de escala termométrica podem ser obtidas diretamente via "regra de três" quando a Equação Termométrica é linear.
Como exemplo, suponha uma escala termométrica qualquer, chamaremos essa escala de T1, onde o Ponto do Gelo é dado por X e o Ponto do Vapor por Y. E agora suponha também uma segunda escala T2, com o Ponto do Gelo dado por W e o Ponto do Vapor por Z. Como transformar uma temperatura da escala T1 para a escala T2?
Assumindo que as escalas T1 e T2 são lineares, então pode-se transformar a temperatura T de uma escala para outra fazendo
$$
\frac{T_1-Y}{X-Y}=\frac{T_2-Z}{Z-W}
$$
Exemplo 1: T1: Celsius x T2:Fahrenheit
Para transformar de Celsius para Fahrenheit, temos
$$
\frac{T_C-0}{100-0}=\frac{T_F-32}{212-32} \Rightarrow \frac{T_C}{100}=\frac{T_F-32}{180}
$$
Simplificando, chega-se em
$$
\frac{T_C}{5}=\frac{T_F-32}{9}
$$
que é a equação de transformação de Celsius ($T_C)$ para Fahrenheit ($T_F$) e vice-versa.
Exemplo 2: T1:Celsius x T2:Kelvin
Para transformar de Celsius para Kelvin, temos
$$
\frac{T_C-0}{100-0}=\frac{T_K-273}{373-273} \Rightarrow \frac{T_C}{100}=\frac{T_K-273}{100}
$$
Simplificando, chega-se em
$$
T_C=T_K-273
$$
que é a equação de transformação de Celsius ($T_C)$ para Kelvin ($T_K$) e vice-versa.
Exemplo 3: T1:Fahrenheit x T2:Kelvin
Para transformar de Fahrenheit para Kelvin, temos
$$
\frac{T_F-32}{212-32}=\frac{T_K-273}{373-273} \Rightarrow \frac{T_F-32}{180}=\frac{T_K-273}{100}
$$
Simplificando, chega-se em
$$
\frac{T_F-32}{9}=\frac{T_K-273}{5}
$$
que é a equação de transformação de Fahrenheit ($T_F)$ para Kelvin ($T_K$) e vice-versa.
Bons Estudos!
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