Termologia Termometria Equilíbrio térmico Calor Escalas

COLÉGIO PEDRO II – CAMPUS TIJUCA II
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
COORDENADOR: PROFESSOR JOSÉ FERNANDO
PROFESSORES: ROBSON / JULIEN / JOSÉ FERNANDO / THIAGO / BRUNO / RONALDO
TERMOMETRIA – 1ª LISTA DE EXERCÍCIOS / REVISÃO
Termologia
Equilíbrio térmico
A Física apresenta algumas áreas que buscam reunir diversos fenômenos. Uma dessas áreas estuda
o conceito de energia. De uma maneira geral o estudo dos fenômenos físicos implica, para uma melhor
compreensão, na segmentação de suas grandes
áreas. Dessa forma, os fenômenos ligados a energia
térmica são estudados pela termologia onde serão
usados alguns termos, tais como: termometria, calor,
dilatação, etc. Na realidade os fenômenos se apresentam de forma simultânea, mas, são separados
para uma melhor compressão e apresentação didática.
Se as propriedades termométricas de dois ou
mais sistemas não variam no decorrer do tempo,
quando em presença uns dos outros, dizemos que
eles estão em equilíbrio térmico entre si. Podemos
generalizar o conceito de equilíbrio térmico para mais
de dois sistemas, por meio da chamada Lei zero da
Termodinâmica. Considere três sistemas A, B e C.
Suponha que, numa primeira experiência, tenha sido
constatado o equilíbrio térmico entre A e C. Suponha
ainda que, mantidas constantes as condições de C
tenha sido constatado, numa segundo experiência, o
equilíbrio térmico entre B e C. Podemos concluir então que o sistema A está em equilíbrio térmico com
B. A lei zero da Termodinâmica pode ser enunciada
simplesmente da seguinte maneira: Dois sistemas
em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si.
O termo termometria refere-se ao estudo dos processos de medição da grandeza física temperatura.
Tal grandeza procura determinar a energia térmica
ou energia interna “armazenada” nos corpos e que se
manifesta, por exemplo, no movimento ou vibração
de átomos e/ou moléculas. Assim, podemos inferir
que quanto maior for essa vibração maior será a
energia interna e consequentemente a temperatura.
Mas cuidado, se um corpo tem maior temperatura
que outro, não significa necessariamente que sua
energia interna também seja maior. Logo:
 Para os gases monoatômicos a energia térmica é
a soma das energias cinéticas de translação de
todas as suas moléculas;
 Para os gases poliatômicos a energia térmica será
a soma das energias cinéticas de translação, rotação e das energias de vibração intermolecular,
de todas as suas moléculas;
 Para os sólidos, o movimento térmico se restringe
ao movimento de vibração em torno de posições
de equilíbrio bem definidas, como se os átomos
ou moléculas estivessem ligados entre si por meio
de molas;
 Para os líquidos, o movimento térmico das moléculas tem um comportamento intermediário ao
dos sólidos e gases, sendo de natureza mais complexa, como postulou o físico russo Yakov Frenkel
(1894-1952).
A temperatura, dessa forma, mede o nível de agitação térmica interna de um corpo, essa medida é
feita por comparação, pois avaliamos a variação que
sofrem certas grandezas de uma substância, como
comprimento, volume, pressão para podermos avaliar a temperatura de um corpo. Decerta forma a energia térmica está associada à energia cinética média
molecular
O instrumento utilizado para aferir a grandeza
temperatura denomina-se termômetro.
Calor
Sistemas que não estão em equilíbrio térmico
apresentam temperaturas diferentes. Nesse caso a
energia térmica pode transferir-se de um corpo para
outro. Essa energia térmica em trânsito é denominada calor.
Escalas termométricas
A fixação de uma escala de temperaturas começa
pela escolha do termômetro, isto é, de um sistema
dotado de uma propriedade que varie regularmente
com a temperatura. Por exemplo, a medida que aumenta a temperatura de um termômetro clínico analógico, aumenta a altura da coluna de mercúrio em
seu interior. Essa propriedade é chamada propriedade termométrica. A cada valor da propriedade termométrica (altura) corresponderá um único valor da
temperatura, isto é, a temperatura é uma função unívoca da propriedade termométrica. Para as escalas
termométricas usadas tradicionalmente, os sistemas
universalmente escolhidos são:
a) Sistema gelo–água sob pressão normal
(1,0atm), cuja temperatura é aqui denominada
ponto de fusão do gelo.
b) Sistema água–vapor d’água sob pressão normal
(1,0atm), cuja temperatura é aqui denominada
ponto de ebulição da água.
Essas temperaturas são também chamadas
“pontos fixos fundamentais” e o intervalo entre elas
recebe o nome de “intervalo fundamental” da escala. Portanto a escala termométrica passa a ser a
sequência ordenada das temperaturas que definem, em graus, todos os estados térmicos, ordenados dos mais frios aos mais quentes. As escalas
estabelecidas atribuindo valores arbitrários aos
pontos fixos são denominadas escalas termométricas relativas.
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Termometria
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TERMOMETRIA – 1ª LISTA DE EXERCÍCIOS / REVISÃO
Escalas relativas principais
Variação nas escalas relativas
Escala Celsius unidade grau celsius (ºC)
Os valores atribuídos, nessa escala, para o ponto
de fusão do gelo e para o ponto de ebulição da água
são respectivamente, 0 e 100. O intervalo é dividido
em 100 partes iguais, cada uma das quais constitui o
grau celsius:
 Ponto de fusão do gelo: Tgelo = 0ºC;
 Ponto de ebulição da água: Tebulição = 100ºC.
Define-se o grau Celsius como sendo a variação
de temperatura que acarreta na propriedade termométrica (X) uma variação igual a 1/100 da variação
que sofre esta propriedade quando o termômetro é
levado do ponto de gelo ao ponto de ebulição (intervalo fundamental).
A relação entre as variações de temperatura na
escala Celsius (ΔTC) e a na escala Fahrenheit (ΔTF)
pode ser obtida comparando os segmentos definidos
na haste de um termômetro de mercúrio graduado
nas duas escalas: Logo, podemos escrever:
a
∆TC
∆TF
=
=
b 100  0 212  32
Assim:
∆TC ∆TF
=
5
9
Escala absoluta Kelvin
Os valores atribuídos, nessa escala, para o ponto
de fusão do gelo e para o ponto de ebulição da água
são respectivamente, 32 e 212. O intervalo é dividido
em 180 partes, cada uma das quais constitui o grau
fahrenheit (ºF).
 Ponto de fusão do gelo: Tgelo = 32ºF
 Ponto de ebulição da água: Tebulição = 212ºF
Relação entre escalas relativas
Para certo estado térmico, observe que a coluna
apresenta altura h no termômetro para a qual correspondemos às temperaturas TC (Celsius) e TF (Fahrenheit). Logo, podemos escrever:
a
TC  0
TF  32
=
=
b 100  0 212  32
Assim:
TC TF  32
=
5
9
É possível demonstrar que existe um limite inferior, ainda que inalcançável de temperatura, ou seja,
há um estado térmico mais frio que qualquer outro.
Essa situação corresponde a uma quantidade mínima de energia para manter as ligações moleculares, o chamado movimento de agitação térmica de
todos átomos e moléculas do sistema. A esse estado
térmico dá-se o nome de zero absoluto. Embora seja
inatingível na prática, foi possível, através de condições teóricas, chegar-se à conclusão de que o zero
absoluto corresponde, nas escalas relativas usuais,
a TC = –273,16ºC e TF = – 459,67ºF.
Logo, podemos escrever:
a
TC  0
TK  273
=
=
b 100  0 373  273
Assim:
TC = TK – 273 e C = K
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Escala Fahrenheit unidade grau fahrenheit (ºF)
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TERMOMETRIA – 1ª LISTA DE EXERCÍCIOS / REVISÃO
Exercícios
Podemos caracterizar uma escala absoluta de
temperatura quando:
(A) dividimos a escala em 100 partes iguais.
(B) associamos o zero da escala ao estado de energia cinética mínima das partículas de um sistema.
(C) associamos o zero da escala ao estado de energia cinética máxima das partículas de um sistema.
(D) associamos o zero da escala ao ponto de fusão
do gelo.
(E) associamos o valor 100 da escala ao ponto de
ebulição da água.
2ª Questão
Três afirmações são feitas a respeito de temperatura:
I. Zero absoluto equivale à temperatura em que
ocorre o congelamento da água.
II. Podemos obter água a - 350 ºC.
III. Quando um corpo tem sua temperatura variando
50 ºC pode-se dizer que, se a escala fosse a Kelvin, a variação de temperatura, numericamente,
seria a mesma.
(A) apenas I é falsa.
(B) apenas II é falsa.
(C) apenas III é falsa.
(D) apenas III é verdadeira
(E) as três afirmações são falsas.
3ª Questão
A superfície gelada do pequeno Plutão é composta por nitrogênio, metano e traços de monóxido
de carbono. A temperatura do planeta anão varia ao
longo de sua órbita porque, no decorrer de sua trajetória, aproxima-se do Sol até 30UA e afasta-se até
50UA. Existe uma tênue atmosfera que congela e cai
sobre o planeta anão quando este se afasta do Sol.
Sendo assim, dependendo da sua posição em relação ao Sol, a temperatura sobre a superfície do planeta anão varia de – 230ºC a – 210ºC. Pode-se afirmar que:
(UA = Unidade Astronômica)
(A) essas temperaturas não são lidas num termômetro graduado na escala Kelvin, pois a menor temperatura nesse termômetro é 0K.
(B) não se medem essas temperaturas num termômetro graduado na escala Celsius, pois sua escala varia de 0ºC a 100ºC.
(C) se medem essas temperaturas com termômetros
graduados na escala Celsius, pois é o único que
mede temperaturas abaixo de zero.
(D) na escala Fahrenheit, o módulo da variação da
temperatura sobre a superfície do pequeno Plutão
corresponde a 36ºF.
(E) na escala Fahrenheit, o módulo da variação da
temperatura sobre a superfície do pequeno Plutão
corresponde a 20ºF.
4ª Questão
Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras “calor”
e “temperatura” de forma diferente de como elas são
usadas no meio científico. Na linguagem corrente,
calor é identificado como “algo quente” e temperatura
mede a “quantidade de calor de um corpo”. Esses
significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática. Do ponto de vista científico, que situação prática
mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor
e temperatura?
(A) a temperatura da água pode ficar constante durante o tempo que estiver fervendo.
(B) uma mãe coloca a mão na água da banheira do
bebê para verificar a temperatura da água.
(C) a chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela.
(D) a água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura;
(E) um forno pode fornecer calor para uma vasilha de
água em seu interior com menor temperatura do
que a dele.
5ª Questão
Analise as proposições e indique a falsa.
(A) o somatório de toda a energia de agitação das
partículas de um corpo é a energia térmica desse
corpo.
(B) dois corpos atingem o equilíbrio térmico quando
suas temperaturas se tornam iguais.
(C) a energia térmica de um corpo é função da sua
temperatura.
(D) somente podemos chamar de calor a energia térmica em trânsito; assim, não podemos afirmar que
um corpo contém calor.
(E) a quantidade de calor que um corpo contém depende de sua temperatura e do número de partículas nele existentes.
3 – Colégio Pedro II - Campus Tijuca II
1ª Questão
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6ª Questão
9ª Questão
Quando uma enfermeira coloca um termômetro
clínico de mercúrio sob a língua de um paciente, por
exemplo, ela sempre aguarda algum tempo antes de
fazer a sua leitura. Esse intervalo de tempo é necessário:
(A) para que o termômetro entre em equilíbrio térmico
com o corpo do paciente.
Ao medir a temperatura de um gás, verificou–se
que a leitura era a mesma, tanto na escala Celsius
como na escala Fahrenheit. Qual era essa temperatura?
(B) para que o mercúrio, que é muito pesado, possa
subir pelo tubo capilar.
(C) para que o mercúrio passe pelo estrangulamento
do tubo capilar.
(D) devido à diferença entre os valores do calor específico do mercúrio e do corpo humano.
(E) porque o coeficiente de dilatação do vidro é diferente do coeficiente de dilatação do mercúrio.
7ª Questão
10ª Questão
A tabela representa o resultado de duas leituras
feitas em um medidor de temperatura que relaciona
a temperatura com a altura da coluna de mercúrio.
Leitura
Temperatura
Altura
1ª
20 unidades
10cm
2ª
100 unidades
30cm
Determine:
(A) A equação termométrica desse medidor;
(B) A temperatura quando a altura da coluna é 18cm.
8ª Questão
Em uma escala termométrica, que chamaremos
de escala médica, o grau é chamado de grau médico
e é representado por ºM. A escala médica é definida
por dois procedimentos básicos: no primeiro faz–se
corresponder 0ºM a 36ºC e 100ºM a 44ºC; no segundo, obtém–se uma unidade de ºM pela divisão
0ºM a 100ºM em cem partes iguais.
(A) calcule a variação, em graus médicos, que corresponde à variação de 1,0ºC.
(B) calcule, em graus médicos, a temperatura de um
paciente que apresenta uma febre de 40ºC.
4 – Colégio Pedro II - Campus Tijuca II
Para graduar um termômetro, um estudante
coloca–o em equilíbrio térmico, primeiro com gelo
fundente e, depois,
com água em ebulição, tudo sob
pressão atmosférica normal. Sendo:
 tg = temperatura do gelo;
 ta = temperatura ambiente;
 tv = temperatura de ebulição.
A altura atingida pela altura da coluna de
mercúrio medida a partir do centro do bulbo vale
5,0cm na primeira situação e 25,0cm na segunda.
Quando o termômetro entra em equilíbrio térmico
com o ar ambiente do laboratório, a altura da coluna
mede 10,0cm. Determine a temperatura do laboratório na escala Celsius.