[GER-FI] 2.1 – Apostila

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

 

Pense:  A temperatura normal do corpo humano é de aproximadamente 36,5 ºC. em uma viagem para os EUA você vai ao médico e ao medir sua temperatura, que é de 97 ºF, você assusta. Você está com febre?

Sabemos que a temperatura indica o grau de agitação molecular de um corpo. Quanto maior a agitação maior é a temperatura. Para medir temperatura usamos termômetros.

1) Termômetros:

Existem diversos tipos de termômetros (a gás, infraverme­lho, álcool, mercúrio) porém nos concentraremos por aquele formado por um tubo fino (capilar), uma escala termomé­trica e um líquido sensível a variação de temperatura, álcool colorido ou mercúrio.

O funcionamento dos termômetros é bastante simples: quando o termômetro é colocado em contato com um corpo que está a uma temperatura mais alta que a sua, o lí­quido em seu interior (mercúrio ou álcool) dilata-se subindo pelo capilar até entrar em equilíbrio térmico com o corpo e indicando uma temperatura mais alta. Quando colocado em contato com um corpo mais frio, ocorre o inverso. O líquido contrai-se e baixa a indicação no capilar.

 

⇒ Termômetro clínico: esse termômetro é usado para medir a temperatura do corpo humano. Sua escala é graduada entre 35º e 42º.

 

2) As Escalas Termométricas:

São escalas para medir a temperatura. Quase todas as escalas termométricas são arbitrárias. Veja como foi construída a escala Celsius.

a) Escala Celsius

O astrônomo Anders Celsius colocou um termômetro em um copo com água e gelo ao nível do mar (pressão de 1 atm), marcou a altura de mercúrio no capilar e chamou esta marca de 0º Celsius.

A seguir ele colocou o mesmo termômetro em um copo contendo água fervendo (em ebulição) e marcou a nova altura do mercúrio no capilar, chamando esta marca de 100 ºC.

A seguir ele dividiu o espaço entre as duas marcas em cem partes iguais. Cada parte passou a corresponder a 1 ºC.

 

b) Escala Fahrenheit

Nesta escala o ponto 0 corresponde a uma mistura de gelo e cloreto de amônio que tem uma temperatura muito mais baixa que o gelo puro, Por isso nesta escala o gelo puro tem temperatura de 32 ºF. A água fervendo possui temperatura de 212 ºF. Esta escala é muito usada na Inglaterra e nos EUA.

 

c) Escala Kelvin

É a chamada escala absoluta, Trata-se de uma escala científi­ca, pois Kelvin observou que a agitação das moléculas de um corpo diminui com a diminuição da temperatura. Portanto, em algum instante, o movimento de agitação das moléculas cessa. Neste ponto, Kelvin marcou o 0 de sua escala que ficou conhecido como zero absoluto.

Veja estas comparações:

0º C → 273 K

100 ºC → 373 K

Nota: Na escala Kelvin não se usa “graus Kelvin” mas simplesmente Kelvin.

 

3) Conversão entre escalas:

A partir da seguinte relação entre as escalas termométricas é possível obter uma fórmula para converter valores entre uma escala e outra.

Pelo Teorema de Tales, temos então que:

\(\frac{C-0}{100-0}=\frac{F-32}{212-32}=\frac{K-273}{373-273}\)

Simplificando por 20 temos:

\(\frac{C}{5}=\frac{F-32}{9}=\frac{K-273}{5}\)

 

CALORIMETRIA

Calorimetria é o ramo da física responsável pelo estudo das trocas de energia entre os corpos. O calor passará do corpo A para o corpo B quando forem colocados em contato, pois A possui mais energia calorífica que B.

1) Quantidade de calor:

a) Caloria (cal)

Uma caloria é, por definição, a quantidade de calor necessá­ria para elevar de 1ºC (de 14,5 ºC para 15,5 ºC) a temperatu­ra de 1g de água sob pressão normal, ou seja:

No Sistema Internacional de unidades (SI) não utilizamos caloria, e sim o Joule (J) onde 1cal = 4,18J.

 

b) Calor específico

Massas iguais de substâncias diferentes necessitam de diferen­tes quantidades de calor para atingir a mesma temperatura. Veja:

Calor específico de uma substância e a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de uma substân­cia de 1 ºC.

 

No exemplo da figura temos que o calor específico do Ferro é muito menor que o da água. Por isso ele aquece mais e mais rápido. Veja o calor específico de algumas substâncias:

Água: 1 cal/g ºC

Álcool: 0,6 cal/g ºC

Ferro: 0,117 cal/g ºC

Cobre: 0,09 cal/g ºC

 

2) Brisa litorânea:

A diferença de calor específico entre a areia e a água do mar é responsável pela brisa que se forma no litoral.

Durante o dia, o sol faz com que a areia e a água do mar esquentem, entretanto, o calor específico da areia é menor que da água. Sendo assim, a areia esquenta mais rapidamente fazendo com que o ar sobre si fique quente e ascenda, isso gera uma zona de baixa pressão que é ocupada pelo ar mais frio que estava sobre o mar, gerando uma corrente de ar com sentido mar → areia.

No período noturno, o fenômeno é inverso. A água do mar por ter maior calor específico demora mais tempo para esfriar, dessa maneira o ar sobre a água é mais quente e ascende. O ar que estava sobre a areia por ser mais frio migra para o mar por convecção térmica. Assim, durante a noite, a brisa tem sentido areia → mar.

 

3) Vaso de Dewar (garrafa térmica):

O vaso de Dewar ou garrafa térmica é um dispositivo utiliza­do para manter a temperatura do seu conteúdo inalterada o maior intervalo de tempo possível. Para tanto, as paredes do sistema devem ser adiabáticas, não permitindo transmissão de calor com o meio ambiente.

Como a energia térmica pode ser trocada por condução, convecção e radiação, foram usados os seguintes artifícios:

1) Para evitar a saída ou entrada de calor por condução, o líqui­do foi envolvido por vácuo. Por isso a garrafa térmica possui parede dupla de vidro (péssimo condutor) entre as quais se faz o vácuo.

2) Para evitar a convecção (processo que exige trocas de partí­culas), deve-se manter sempre bem fechada a tampa da garrafa.

3) Para evitar a radiação, as paredes são espelhadas, assim os raios infravermelhos e as demais radiações refletem-se no espe­lho, retornando ao meio de origem.

É bom observar que este sistema não é perfeito; assim, depois de algumas horas, o líquido interno acaba atingindo o equilíbrio térmico com o meio ambiente.

 

4) A Estufa:

Principalmente em países onde o inverno é muito rigoroso, são usadas estufas para o cultivo de verduras, legumes e flo­res. A estufa é um local fechado, com paredes e teto de vidro que recebem as radiações solares.

O vidro é transparente à luz visível e praticamente opaco às ondas de calor (raios infravermelhos). Porém, uma pequena parte de raios infravermelhos consegue passar pelo vidro e são os principais responsáveis pelo aquecimento do interior da estufa. Esses raios são absorvidos e depois são emitidos numa forma mais ampla de raios infravermelhos que pode­rão sair pelo vidro apenas numa pequena parte; o restante volta a ser absorvido pelas plantas.

 

 

5) Geladeira doméstica:

Nas geladeiras, o congelador é sempre colocado na parte superior, para que o ar se resfrie na sua presença e desça, dando lugar ao ar mais quente, que sobe. Nelas os alimentos são resfriados pelo ar frio, que desce devido à convecção. As prateleiras são feitas em grades (e não inteiriças) para permitir a convecção do ar dentro da geladeira.

 

 

6) Equilíbrio térmico:

Quando dois corpos, em temperaturas diferentes, são postos em contato, observa-se que a temperatura do corpo mais quente diminui, enquanto que a temperatura do corpo mais frio aumenta. Essas variações de temperatura cessam quando as temperaturas de ambos se igualam (equilíbrio térmico).

Portanto, durante esse processo, o nível energético (grau de agitação molecular) do corpo mais quente diminui, en­quanto que o do corpo mais frio aumenta. Como a energia térmica de um corpo depende, além da sua massa e da subs­tância que a constitui, da sua temperatura, conclui-se que as variações de temperatura estão associadas às variações de energia térmica.

Concluindo, a diferença de temperatura entre dois corpos provoca uma transferência espontânea de energia térmica do corpo de maior temperatura para o corpo de menor tempe­ratura. Essa quantidade de energia térmica que se transferiu é chamada de calor.