TermoAula1 - Professora Magu

TERMOMETRIA,
CALORIMETRIA E
TERMODINÂMICA – Aula 1
Maria Augusta Constante Puget (Magu)
Termometria, Calorimetria e
Termodinâmica (1)

A termodinâmica é o estudo das leis
que regem a relação entre calor,
trabalho e outras formas de energia.
2
Termometria, Calorimetria e
Termodinâmica (2)

Calorimetria é a parte da física que
estuda as trocas de energia entre corpos ou
sistemas quando essas trocas se dão na
forma de calor.
3
Termometria, Calorimetria e
Termodinâmica (3)
Um
dos
conceitos
principais
da
termodinâmica é a temperatura.
 A termometria é o ramo da física que
tem por objetivo o estudo e a medição da
temperatura.

4
Temperatura (1)
A palavra temperatura nos é tão familiar que temos a
tendência de sermos excessivamente confiantes no que
se refere ao seu significado.
 Nossa “sensação de temperatura” (proporcionada pelo
nosso tato), no entanto, nem sempre é confiável.
 Em um dia frio, uma peça de metal parece estar muito
mais fria ao toque do que uma peça de madeira, apesar
de ambas estarem à mesma temperatura. Por que isso
ocorre?

5
Temperatura (2)



A temperatura de um corpo é uma medida
do grau de agitação de suas moléculas.
Assim, supondo-se que não haja mudança de
fase, quando um corpo recebe energia térmica,
suas moléculas passam a se agitar mais
intensamente: sua temperatura aumenta.
Ao perder energia, as moléculas do corpo se
agitam
com
menor
intensidade: sua
temperatura diminui.
6
Temperatura (3)


Sob o ponto de vista microscópico, a
temperatura corresponde à energia cinética
média das partículas de um corpo.
Em uma escala absoluta, a temperatura é
proporcional à energia cinética média.
Em particular, na chamada escala kelvin, a função
de proporcionalidade é:
3
𝐸𝐶 = 𝑘𝑇
2
onde k=1,38 x 10-23 J/K é a chamada constante de
Boltzmann.

7
Temperatura – Unidade (1)

A temperatura é uma das sete grandezas
básicas do SI.

Os físicos medem temperaturas na
escala kelvin, que é marcada em
unidades chamadas kelvins.
8
Temperatura – Unidade (2)




Enquanto unidade do SI, o kelvin não deve ser
precedido pelas palavras grau ou graus nem
pelo símbolo °, como em grau Celsius ou
Fahrenheit.
O símbolo para o kelvin é sempre um K
maiúsculo e nunca é escrito em itálico.
Deve haver um espaço entre a grandeza
numérica e o símbolo da unidade.
A palavra "kelvin" (nome da unidade) é escrita
com inicial minúscula (exceto no princípio das
frases), igualmente de acordo com a normas
do SI.
9
Kelvin (1)
William Thomson, conhecido
também como Lorde Kelvin
(Belfast, 26 de junho de 1824 —
17 de dezembro de 1907) foi um
físico-matemático
e
engenheiro nascido na Irlanda.
 Considerado um líder nas ciências
físicas do século XIX, teve
importantes contribuições na
análise
matemática
da
eletricidade e termodinâmica.
É conhecido por desenvolver a
escala Kelvin de temperatura
absoluta.
 O título de Lorde Kelvin foi dado
em homenagem a suas realizações.

10
Temperaturas na Escala Kelvin (1)
A temperatura ambiente é de cerca de
290 K.
 No início do universo, há cerca de 10 a
20 bilhões de anos, sua temperatura era de
aproximadamente 1039 K.
 Com a expansão do Universo, houve um
contínuo resfriamento do mesmo e
atualmente a sua temperatura média é de
cerca de 3 K.

11
Temperaturas na Escala Kelvin (2)
Temperaturas absolutas notáveis
Interior das estrelas mais quentes
Bomba de hidrogênio
Interior do Sol
Bomba atômica
Superfície do Sol
Filamento de lâmpada incandescente
Chama de fogão
Turbina a vapor
Oxigênio líquido
Superfície do planeta Plutão
Hidrogênio vaporiza-se sob pressão normal
Hélio vaporiza-se sob pressão normal
Hélio solidifica-se sob alta pressão
109 K
108 K
107 K
3.105 K
6.103 K
3.103 K
1,1.103 K
9.102 K
90 K
45 K
20 K
4K
1K
De acordo com o Guiness 2008, a temperatura mais baixa até hoje conseguida
foi de 450.10-12K. Foi obtida por uma equipe do MIT, liderada por Aaron
Leanhardt.
12
O Zero Absoluto (1)
A temperatura está relacionada à energia de
movimento das moléculas de um corpo;
assim, ao diminuirmos sua temperatura, suas
moléculas ficam mais lentas.
 Podemos imaginar um estado em que todas
as moléculas estão paradas, ou seja,
agitação térmica nula correspondendo à
temperatura zero, a qual denominamos
zero absoluto.

13
O Zero Absoluto (2)




O zero absoluto é a menor temperatura
teórica possível.
Mais formalmente, é a temperatura na qual a
as energias cinéticas das moléculas (e,
portanto, térmica do sistema) valem zero.
Descobriu-se que é impossível atingir o
estado de agitação molecular nulo.
As moléculas têm uma energia mínima
denominada energia do ponto zero e o
zero absoluto é inatingível na prática.
14
Temperatura - Mensurando (1)
15
Temperatura - Mensurando (2)
A medida da temperatura de um objeto ou de um meio
é sempre feita indiretamente.
 Observa-se que diversas propriedades de vários
materiais variam em função de suas temperaturas:

◦ O volume de um líquido aumenta com o aumento de sua
temperatura.
◦ O comprimento de uma barra metálica aumenta, com o
aumento de sua temperatura.
◦ A resistência elétrica de um fio metálico aumenta, com o
aumento de sua temperatura.
◦ A pressão exercida por um gás confinado aumenta, com
o aumento de sua temperatura.

Dessa forma, a temperatura T de uma barra pode ser
avaliada indiretamente pelo valor assumido pelo seu
comprimento L, por exemplo.
16
Temperatura - Mensurando (3)
De modo geral, sendo x uma grandeza
conveniente
que
define
uma
das
propriedades do corpo (como o
comprimento L, no caso da barra), a cada
valor de x faz-se corresponder um
determinado valor T de temperatura.
 A grandeza x é denominada grandeza
termométrica.
 A correspondência entre os valores da
grandeza x e da temperatura T constitui a
função termométrica.

17
Temperatura - Mensurando (4)
Um dos primeiros dispositivos criados
para avaliar temperaturas foi o
termoscópio a ar (do grego termon
significa temperatura e skopeo significa
"ver"), inventado por Galileu, em 1592.
 O termoscópio permitia avaliar apenas
qualitativamente o aumento ou
diminuição da temperatura.
 Era um aparelho simples e impreciso,
mas foi o predecessor dos atuais
termômetros (do grego termon
significa temperatura e metron significa
medida) científicos.

Galileu Galilei (Pisa,
15 de fevereiro de
1564 — Florença, 8
de
janeiro
de
16421 ) foi um
físico, matemático,
astrônomo
e
filósofo italiano.
18
Grandeza e Equação Termométrica (1)
Consideremos uma grandeza x cujo valor se
altera com a mudança do estado térmico.
 A cada valor da grandeza x1, x2, ..., xn
associamos um número T1, T2, ..., Tn
denominado temperatura.
 A função x = f(T) que relaciona os valores
assumidos pela grandeza termométrica e as
temperaturas, é chamada equação ou
função termométrica.

19
Grandeza e Equação Termométrica (2)

Para o estabelecimento de uma equação termométrica
devem ser escolhidos pelo menos dois estados
térmicos
perfeitamente
caracterizáveis
e
reprodutíveis, denominados pontos fixos. Pressupõese aqui que a função que relaciona a grandeza
termométrica com a temperatura seja linear.

Os dois pontos fixos são tomados, comumente, como
sendo:
◦ Ponto de fusão da água (ou ponto de gelo): Estado
térmico do gelo fundente, isto é, do gelo em equilíbrio
térmico com a água pura, sob pressão atmosférica normal.
◦ Ponto de ebulição da água (ou ponto de vapor):
Estado térmico da água em ebulição sob pressão atmosférica
normal.
20
Grandeza e Equação Termométrica (3)

A equação termométrica será caracterizada,
então, por:
Ponto Fixo
Escolhido

Valor da
Grandeza
Termométrica
Valor da
Temperatura
Arbitrariamente
Escolhido
Gelo fundente
x1
T1
Vapor de água em
ebulição
x2
T2
Note-se que, para cada par de valores T1 e T2
escolhidos, obtém-se uma escala termométrica
diferente.
21
Grandeza e Equação Termométrica (4)

É conveniente a
escolha de uma
equação
termométrica
linear, pois assim
precisamos
de
apenas dois pontos
para
estabelecer
uma relação entre x
e T.
x
x2
x1
T1
T2
T
22
Escalas Termométricas Usuais:
A Escala Celsius (1)


Em praticamente todos os países
do mundo, a escala Celsius
(antigamente chamada escala
centígrada) é a escala que foi
escolhida para uso popular e
comercial, sendo também utilizada
em aplicações científicas.
O grau Celsius (símbolo °C)
designa a unidade de temperatura,
assim
denominada
em
homenagem a Anders Celsius,
que a propôs em 1742.
Anders
Celsius
(Uppsala, 27 de
Novembro
de
1701 — Uppsala,
25 de Abril de
1744)
foi
um
astrônomo e físico
sueco.
23
Escalas Termométricas Usuais:
A Escala Celsius (2)



Na escala Celsius o ponto de fusão (congelamento)
da água corresponde ao valor 0 e o ponto de
ebulição corresponde ao valor 100.
Como existem cem graduações entre esses dois
pontos de referência, o termo original para este
sistema foi o centígrado (100 partes).
Em 1948, o nome do sistema foi oficialmente
modificado para Celsius durante a 9ª Conferência
Geral de Pesos e Medidas (CR 64), tanto em
reconhecimento a Celsius como para eliminar a
confusão causada pelo conflito de uso do prefixos
centi do SI.
24
Escalas Termométricas Usuais:
A Escala Fahrenheit (1)




O grau Fahrenheit (símbolo °F) é uma
escala de temperatura proposta por
Daniel Gabriel Fahrenheit.
Nesta escala, o ponto de fusão da
água é 32 °F e o ponto de ebulição é
212 °F.
Uma diferença de 1,8 grau Fahrenheit
equivale à 1 grau Celsius.
Esta escala foi utilizada principalmente
pelos países colonizados pelos
britânicos. Seu uso, atualmente, se
restringe a poucos países de língua
inglesa, como os Estados Unidos e a
Grã Bretanha.
Daniel Gabriel Fahrenheit
(Danzig, 24 de maio de
1686 — Haia, 16 de
setembro de 1736) foi
físico,
engenheiro
e
soprador de vidro alemãopolonês. É mais conhecido
por ter inventado o
termômetro
de
mercúrio (1714), e pelo
desenvolvimento de uma
escala de temperatura em
sua homenagem.
25
Escalas Termométricas Usuais:
A Escala Kelvin (1)

A escala absoluta kelvin
adota 273 para o ponto de
fusão e 373 para o ponto
de vapor (a rigor, 273,15 e
373,15, respectivamente).
William Thomson,
mais
conhecido como Lorde
Kelvin (Belfast, 26 de junho
de 1824 — 17 de dezembro
de 1907) foi um físicomatemático e engenheiro
britânico, nascido na Irlanda.
26
As 3 Escalas Mais Conhecidas (1)
Gelo fundente
Vapor de água em
ebulição
Celsius
Fahrenheit
Kelvin
0
32
273
100
212
373
27
Outras Escalas (1)
28
Mudanças de Escala (1)



Quando a escala Celsius indica 00C, a Fahrenheit indica 320F.
Quando a escala Celsius indica 1000C, a Fahrenheit indica
2120F.
Então, quando a escala Celsius indicar o valor tC, a escala
Fahrenheit deverá indicar o valor tF.
Do gráfico ao lado, podemos escrever:
0F
𝑡𝐹 − 32
𝑡𝐶
=
212 − 32 100
212
tF
5
𝑡𝐶 = (𝑡𝐹 − 32)
9
32
tC
100
0C
29
Mudanças de Escala (2)
30
Tipos de Termômetros (1)
Os termômetros variam e podem ser classificados quanto:
1. À grandeza termométrica utilizada.
2. Ao intervalo de valores de temperaturas que são capazes
de medir.

Além disso, existem duas formas de se medir a temperatura
de um corpo:
1. Por contato: Baseia-se nos princípios básicos de
condução e convecção. Faz-se uso de sensores que entram
em contato com o corpo cuja temperatura se pretende
conhecer .
2. Por radiometria: Baseia-se na detecção da radiação
eletromagnética naturalmente emitida pelo corpo em
função de sua temperatura.

31
Tipos de Termômetros (2)
Termômetros de Bulbo - Clínico



1.
2.
3.
4.
Usado para medir a temperatura de pessoas e animais. Intervalo de
temperaturas medidas vai de 35°C a 43°C.
Tubo capilar de vidro, fechado a vácuo, contendo um bulbo com
Mercúrio.
Características do Mercúrio, como fluido termométrico:
É um metal líquido à temperatura ambiente e tem um valor alto de
coeficiente de dilatação, aumentando de volume à menor variação de
temperatura.
Ponto de fusão (-40°C) e ponto de ebulição (360°C) distantes das
temperaturas comuns em condições normais na superfície da Terra.
Por ser um líquido opaco e escuro facilita a visibilidade da marcação.
Por ser metal é bom condutor térmico, entrando rapidamente em
equilíbrio térmico com o corpo cuja temperatura se quer medir.
32
Tipos de Termômetros (3)
Termômetros de Bulbo - a Álcool


1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Semelhante ao clínico, há o termômetro a álcool, normalmente utilizado
para verificar a temperatura ambiente.
Características do álcool, como fluido termométrico:
Ponto de fusão muito baixo (−112°C), sendo, por isso, apropriado para
ser usado em termômetros que registram temperaturas muito baixas.
Ponto de ebulição também baixo (78°C), não sendo, portanto,
adequado para se medir altas temperaturas.
Pode ser tingido (normalmente se adiciona corante vermelho)
podendo, então, ser visto claramente através do vidro.
Se expande mais que o mercúrio.
É de baixo custo (se comparado ao mercúrio).
Oferece menos riscos à saúde (o mercúrio é tóxico).
O álcool não é um bom condutor de calor.
33
Tipos de Termômetros (4)
Psicrômetro






É um aparelho constituído de dois termômetros de
bulbo, idênticos, colocados um ao lado do outro.
É utilizado para medir a umidade do ar.
A diferença entre os dois termômetros é que um
deles trabalha com o bulbo seco e o outro com o
bulbo úmido.
O termômetro de bulbo úmido tem o bulbo coberto
por uma malha porosa (geralmente de algodão), que
fica mergulhada num recipiente contendo água
destilada.
A evaporação da água contida na malha faz com que
o termômetro de bulbo úmido indique uma
temperatura mais baixa do que a do outro
termômetro, o qual indica a temperatura ambiente.
Essa evaporação, e consequentemente a redução na
temperatura de bulbo úmido, é tanto maior quanto
mais seco está o ar atmosférico, e é nula quando a
atmosfera está saturada de vapor de água.
34
Tipos de Termômetros (5)
Termômetro de Radiação





Também denominado pirômetro ótico.
Dispositivo que permite que se meça a temperatura sem que haja a necessidade de
contato com o corpo ou meio.
Se o termômetro tiver que entrar em contato com o corpo cuja temperatura precisa
ser medida, ele tem que ser capaz de suportar tal temperatura, o que é um grande
problema prático, no caso de temperaturas muito altas.
Assim, os termômetros de radiação são muito úteis quando se necessita medir
temperaturas superiores a 600°C, como no caso de metais incandescentes em
fundições.
Basicamente, esse equipamento é constituído por um sistema ótico e um detector. O
sistema ótico foca a energia emitida por um objeto sobre o detector. A saída do
detector é proporcional a energia irradiada pelo objeto.
35
Tipos de Termômetros (6)


Termômetros Eletrônicos
O sensor mais comum é o termistor (semicondutor sensível
à temperatura).
O dispositivo muda sua resistência com a alteração da
temperatura. Um computador mede a resistência e a
converte em temperatura.
Existem basicamente dois tipos de termístores:
1. NTC (Negative Temperature Coefficient) – O coeficiente
de variação da resistência com a temperatura é negativo: a
resistência diminui com o aumento da temperatura.
2. PTC (Positive Temperature Coefficient) – O coeficiente de
variação de resistência com a temperatura é positivo: a
resistência aumenta com o aumento da temperatura.
36
Temperaturas Muito Altas (1)
Como se Mede a Temperatura de uma Estrela?
 A temperatura superficial de uma estrela está associada à sua cor
e uma das maneiras de estimar essa temperatura consiste em
“medir” sua cor.
 A medida da cor de uma estrela pode ser obtida a partir de três
observações telescópicas da estrela através de filtros especiais,
que transmitem apenas radiações eletromagnéticas específicas:
◦ Filtro U: Transmite radiação ultravioleta (comprimentos de onda
relativamente curtos).
◦ Filtro B: Transmite radiação azul (comprimentos de onda relativamente
médios).
◦ Filtro V: Transmite radiação amarela (comprimentos de onda relativamente
longos).

Esse procedimento gera o registro de três brilhos aparentes
(fluxos) diferentes, designados por FU, FB e FV.
37
Temperaturas Muito Altas (2)
Como se Mede a Temperatura de uma Estrela?
 A comparação entre as razões dos fluxos obtidos em cada faixa
do espectro indica a cor da estrela.
 É possível estabelecer uma escala numérica que quantifica a
cor das estrelas. Essa grandeza é chamada ÍNDICE DE COR.
 Ele é expresso em termos da diferença entre as magnitudes
aparentes associadas aos brilhos aparentes registrados através
dos filtros B e V.

Obtido o índice de cor, pode-se determinar a temperatura
superficial da estrela por meio da “fórmula de Russell”, uma
relação empírica desenvolvida pelo astrônomo americano Henry
Norris Russell (1877 - 1957), que fornece a temperatura da
superfície da estrela, em kelvin.
38
Temperaturas Muito Altas (3)
Como se Mede a Temperatura de uma Estrela?

A tabela abaixo fornece alguns índices de cor com suas
respectivas cores e temperaturas superficiais médias
associadas:
I.C.
T (K)
Cor
-0,5
0
0,6
1,0
1,5
50 000
11 000
5 800
4 500
3 500
Azul
Branca
Amarela
Alaranjada
Vermelha
39
Temperaturas Muito Altas (4)
Como se Mede a Temperatura de uma Estrela?
40
Temperaturas Muito Baixas (1)
Criogenia

Ramo da físico-química que estuda temperaturas muito baixas
(próximas ao 0 absoluto), bem como as técnicas para as produzir
e as propriedades específicas dos materiais associadas a estas
baixas temperaturas.

Baixas temperaturas podem ser obtidas através do efeito de
Joule-Thomsom:
Uma vez que um gás se expande adiabaticamente (sem trocas de calor), a distância média
entre as moléculas aumenta. Devido às forças atrativas intermoleculares, a expansão
produz um aumento na energia potencial do gás. Se nenhum trabalho externo é extraído
no processo e nenhum calor é transferido, a energia total do gás permanece a mesma (lei
da conservação da energia). O aumento da energia potencial, portanto, implica numa
diminuição da energia cinética e, portanto, numa diminuição de temperatura.

Gases como o hidrogênio, oxigênio e hélio podem ser liquefeitos
deste modo, alcançando-se temperaturas da ordem dos 0,3 K, a
baixas pressões.
41
Temperaturas Muito Baixas (2)
Criogenia

A temperaturas próximas do zero absoluto, algumas substâncias
exibem propriedades singulares. Exemplos:
◦ Alguns metais, como o mercúrio e o chumbo, adquirem
supercondutividade.
◦ O hélio líquido perde a viscosidade, convertendo-se num super-fluído
abaixo de 2 K e escoando sem atrito.

A criogenia tem várias aplicações práticas:
◦ A crioterapia é utilizada em cirurgias oculares, em que uma sonda
congelada é aplicada momentaneamente na parte exterior do olho para
reparar danos na retina.
◦ Os componentes eletrônicos, que poderiam ser utilizados em
computadores muito rápidos, necessitam de temperaturas muito baixas
para funcionar.
◦ Os sistemas de levitação magnética têm de ser mantidos a baixas
temperaturas.
◦ O congelamento de óvulos, esperma e embriões é hoje prática corrente.
42
Temperaturas Muito Baixas (3)
Criogenia

Nas Condições Normais de Temperatura e Pressão o hélio
é um gás monoatômico, tornando-se líquido somente em
condições extremas (de alta pressão e baixa temperatura).

Tem o ponto de solidificação mais baixo de todos os
elementos químicos, sendo o único líquido que não pode
solidificar-se baixando a temperatura, já que permanece no
estado líquido no “zero absoluto” à pressão normal.

O hélio sólido só existe a pressões da ordem de 100 MPa a
15 K (-248,15 °C).
43