TERMOLOGIA

TERMOLOGIA
A ULA 1
-O que é?
-Conhecendo um pouco da história da Termologia
-Estados Térmicos
-Energia Térmica
-Noção de Temperatura
- Definição de Temperatura: visão microscópica
-Equilíbrio Térmico
-Calor
TERMOLOGIA
A Termologia ou Termofísica estuda os chamados fenômenos térmicos
que envolvem questões relativas ao calor (produção e transmissão), à
temperatura, à dilatação e contração dos corpos, às maquinas
térmicas etc.
História breve da Termologia:
O que possibilitou a supremacia do
Homo erectus no planeta foi o domínio
do fogo. Acredita-se que este domínio
tenha ocorrido por volta de 500 mil
anos atrás. O uso do fogo mudou
completamente a vida do Homo
erectus, que, a partir disso, conseguiu
estender suas atividades até a noite e
durante o inverno. Além disso, ele
pode ampliar seu habitat para regiões
mais frias e conseguiu sobreviver à Era
Glacial. O uso do fogo permitiu que se
cozinhassem os alimentos, matando os
parasitas e as bactérias, tornando a
carne mais saudável. E também
propiciou um aumento nas opções de
alimentação, e o Homo erectus passou
a comer vegetais cozidos (arroz, milho,
feijão, mandioca etc.). Isso representou
um importante passo para a
sobrevivência da espécie. A partir do
domínio do fogo, o ser humano não
parou de evoluir. Após o domínio do
fogo, a humanidade aprendeu a fundir
metais. Com isso, passou a produzir
ferramentas e armas.
O domínio do fogo representa o
primeiro grande avanço tecnológico da
história.
A compreensão dos fenômenos
térmicos passou a ser uma necessidade
para
a
humanidade.
O
desenvolvimento e o conhecimento
mais aprofundado de técnicas de
obtenção de fontes de calor
permitiram
ao
homem
maior
possibilidade de uma vida mais longa e
confortável.
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ESTADOS TÉRMICOS
Para a compreensão dos diversos conceitos da Termologia, vamos começar
falando sobre os estados térmicos de um corpo. São eles, entre outros,
quente, frio,morno, tépido e gelado. Em algumas situações de nosso dia-adia, podemos observar estes estados térmicos, por exemplo, pelo tato.
Uma mãe que quer avaliar se o filho se encontra em estado febril, usa as
mãos.
A seguir, vamos ver vários conceitos necessários para o aprofundamento do
estudo da Termologia.
ENERGIA TÉRMICA
As moléculas de um corpo estão em constante movimento, em constante
vibração. A energia de movimento que elas possuem é chamada energia
térmica: olhando para um copo com água em repouso sobre uma mesa,
temos a impressão de que toda massa de água está parada. Porém, sabemos
que essa pequena amostra da substância água é formada por muitos milhões
de partículas (moléculas) e, se pudéssemos vê-las, notaríamos um intenso
movimento no interior do corpo. Cada partícula possui energia associada
ao seu movimento denominada energia cinética interna (energia de
agitação). A soma das energias cinéticas internas, ou energias de
agitação, de todas as partículas (moléculas) existentes na porção de
água, denomina-se energia térmica, ou energia interna da porção. Ao
aquecer a água a energia de agitação das partículas aumenta; com isso, a
energia térmica da água também aumenta. Quando uma quantidade de água
quente é deixada para esfriar, a energia cinética de suas partículas diminui,
isto é, a energia térmica da porção diminui.
NOÇÃO DE TEMPERATURA
Se um determinado objeto está num estado térmico diferente de outro, por
exemplo, mais quente que outro, dizemos que está a uma temperatura
mais elevada, e se, por outro lado, encontra-se mais frio que outro,
dizemos ser sua temperatura mais baixa que a do outro objeto. Então,
quente, frio, etc. têm a ver com temperatura.Por ora, vamos entender a
Temperatura como sendo a grandeza física escalar que nos indica se um
corpo está mais quente ou mais frio que outro. Esta é uma definição de
temperatura macroscopicamente se falando.
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DEFINIÇÃO DE TEMPERATURA: VISÃO MICROSCÓPICA
Mas em que um corpo quente difere de um corpo frio?
Como vimos, a temperatura indica se um corpo está mais frio ou quente que
outro. Esta definição leva em conta o aspecto macroscópico. Mas podemos,
também, definir temperatura microscopicamente. O faremos a seguir.
Se pudéssemos aumentar suficientemente o volume dos corpos a ponto de
poder enxergar suas moléculas, poderíamos verificar que naquele que está
“frio” elas vibram menos do que naquele que está “quente”. Sendo
assim, temos as seguintes relações: corpo mais quente que outro = mais
vibração, mais agitação, mais movimento; corpo mais frio que outro =
menos vibração, menos agitação, menos movimento. E, como a temperatura
indica se o corpo está mais frio ou quente que outro, podemos dizer que
temperatura indica se um corpo está com moléculas em maior agitação
ou menor agitação, movimento, vibração, que outras de um outro
corpo. Então, podemos definir temperatura, sob o ponto de vista
microscópico, da seguinte forma: Temperatura é uma grandeza física
que mede o grau de agitação térmica das moléculas ,
caracterizando o seu estado térmico. Esta definição é a mais usada.
Então, a temperatura é um número usado para traduzir o estado de
“quente” ou “frio” de um corpo. É uma grandeza associada a um corpo,
que define o nível de agitação de suas partículas. ELA INFORMA A
INTENSIDADE DO MOVIMENTO DAS PARTÍCULAS INTERNAS DO CORPO.
EQUILÍBRIO TÉRMICO: Para explicar o conceito de equilíbrio térmico,
imagine um corpo quente e outro mais frio. Se colocarmos os dois em
contato, perceberemos que o corpo mais quente vai esfriando, enquanto que
o mais frio vai esquentando, até um determinado momento em que os dois
estarão no mesmo estado térmico, por exemplo, morno. Neste momento
cessa o processo, e dizemos que os dois corpos atingiram o equilíbrio
térmico. Então, equilíbrio térmico é a situação em que os corpos
apresentam o mesmo estado térmico, ou seja, o grau de agitação
térmica de suas moléculas é o mesmo, ou ainda, estão à mesma
temperatura.
O que ocorreu foi que as moléculas lentas do corpo frio aumentaram suas
velocidades e as mais rápidas do quente tiveram suas velocidades
diminuídas.
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CALOR
Durante um aquecimento ou resfriamento haverá transferência de energia
térmica. Essa energia térmica em trânsito, sempre do corpo mais quente
(maior temperatura) para o mais frio (menor temperatura), recebe o nome
de calor.
Calor é energia térmica em trânsito de um corpo para outro,
devido à diferença de temperatura entre eles . Calor é diferente de
temperatura. O calor é uma modalidade de energia que se transfere (com
facilidade) de um corpo a outro. A temperatura informa a intensidade do
movimento das partículas internas do corpo.
Ainda, não é certo dizer que um corpo tem calor, pois calor é energia em
trânsito.
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A ULA 2
-Medida da Temperatura
-Termômetro
-Calibração e Graduação do Termômetro
-Escalas Termométricas
-Conversão entre as Escalas Termométricas
M EDIDA DA T EMPERATURA
A determinação da temperatura através da sensação térmica (quente/frio)
não é confiável, pois um corpo pode ser considerado mais quente ou mais
frio dependendo da pessoa que sente. Por exemplo, um dia agradável para
um gaúcho em Porto Alegre talvez seja frio para um Nordestino. Então, a
temperatura de um corpo não pode ser medida com base no sentido do tato,
pois, como acabamos de ver, podemos cometer erros.
ADENDO: Já sabemos que a temperatura mede o grau de agitação térmica
das moléculas que constituem o corpo, mas essa agitação não poderá ser
medida diretamente como se mede, por exemplo, a área de um corpo. Medese, portanto, a temperatura indiretamente. A temperatura é medida por
meio dos efeitos produzidos por essas agitações. Veremos estes efeitos
indiretos mais adiante. O aparelho utilizado para medir a temperatura
chama-se termômetro. A seguir, falaremos sobre esse instrumento, e
explicaremos como é feita a medida indireta do grau de agitação térmica dos
objetos em geral, ou seja, como é feita a medida da temperatura.
TERMÔMETRO
O aparelho utilizado para medir-se a temperatura chama-se termômetro.
O tipo mais comum de termômetro é o constituído de um tubo de vidro, no
interior do qual se encontra um bulbo (reservatório de paredes finas que
contém o líquido), bulbo este que é ligado a um tubo capilar (tubo muito
fino como um fio de cabelo). Veja, na figura a seguir, o desenho de um bulbo
ligado a um tubo capilar:
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Para que possamos medir a temperatura será necessário graduar o
termômetro, isto é, marcar as divisões e atribuir valores a essas
divisões.
Veremos, mais adiante, como graduar o termômetro, ou seja, como marcar
as divisões, como as que podem ser vistas na figura abaixo:
↑BULBO
Adendo: Será desejável que um termômetro atinja rapidamente o equilíbrio
térmico (situação em que os corpos estão à mesma temperatura) com o
corpo do qual se quer medir a temperatura. Um termômetro feito de metal
apresenta estas características. Se trabalharmos com um metal no estado
líquido, teremos uma situação perfeita, em que porções diminutas dele
ocasionam dilatação (aumento) apreciável, coisa que não aconteceria com
um metal no estado sólido: dilatação de, por exemplo, uma barra metálica é,
normalmente, muito pequena para pequenas variações de temperatura.
Neste termômetro da figura acima, variações de temperatura fazem com que
o líquido suba ou desça. Se a temperatura aumenta, o líquido se dilata e
sobe; se a temperatura diminui, o líquido se contrai e desce.
Dessa forma, a cada altura da coluna de líquido podemos atribuir um
número correspondente à temperatura que determina aquela altura.
Adendo: Então, a temperatura pode ser medida indiretamente, através
da altura da coluna de líquido. O líquido mais usado nos termômetros é o
de mercúrio (Hg), que pode ser usado em porções diminutas e obtêm-se
uma dilatação apreciável. O mercúrio é usado por que é um metal que se
encontra em estado líquido num grande intervalo de temperatura, sob
pressão normal: ele se solidifica à -38°C e se transforma em vapor a 350°C.
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A altura do líquido (ou altura da coluna de líquido) é a grandeza física que
varia com a temperatura e ela é denominada grandeza termométrica.
Grandeza Termométrica é a grandeza física que varia com a temperatura.
No caso visto, a grandeza é a altura da coluna de mercúrio. Através dessa
medida, podemos determinar, então, a temperatura do corpo.
Substância termométrica: Substância colocada no termômetro, em nosso
exemplo, o mercúrio (Hg).
CALIBRAÇÃO E GRADUAÇÃO DO TERMÔMETRO:
Para calibrar e graduar um termômetro procede-se da seguinte maneira:
Inicialmente, escolhe-se uma substância em estados térmicos usados como
padrão. Escolheremos a água. Pega-se um termômetro, por exemplo, de
mercúrio, e o coloca em contato com gelo picado em fusão (ou seja, gelo
picado que está derretendo, virando água).
O termômetro, depois de um tempo, entrará em equilíbrio térmico com a
mistura. Sabe-se que durante a fusão (derretimento)do gelo sua
temperatura não varia, é sempre a mesma, constante (T= cte.). Como a
temperatura não varia, a coluna de líquido estaciona (fica parada) no
mesmo lugar durante a fusão. Marca-se a altura da coluna de mercúrio
(h1). Chamaremos este ponto de
PONTOFIXO DE GELO.
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Após, coloca-se o termômetro em contato com água em ebulição (água que,
fervendo, está virando vapor).
O termômetro, após um tempo, vai entrar em equilíbrio térmico com a
mistura.
Sabe-se que durante a ebulição da água, (água vai virando vapor), sua
temperatura não varia, não muda, é sempre constante. Como a
temperatura não varia, a altura da coluna de líquido no termômetro sobe
até um valor e, após, entra em equilíbrio térmico com a mistura,
estacionando durante toda ebulição. Marca-se a altura da coluna de
mercúrio (h2). Este ponto é chamado PONTO FIXO DE VAPOR. Uma
observação importante é a de que para a graduação das escalas foram
escolhidos, para pontos fixos, dois fenômenos que se reproduzem
SEMPRE nas mesmas condições: a fusão do gelo e a ebulição da água,
ambos sob pressão normal.
Então, temos a marcação de dois pontos no nosso termômetro (h 1 e h2).
Atribuímos valores arbitrários de temperatura (t1 e t2), para as alturas
marcadas.
Por exemplo, o físico e astrônomo sueco Celsius estabeleceu para o primeiro
ponto fixo (gelo fundente) o valor zero e, para o segundo ponto fixo (água
em ebulição), o valor
100.
Algum tempo antes, o físico alemão Daniel Fahrenheit havia estabelecido
outra escala usando pontos fixos diferentes. Fahrenheit adotou como zero a
temperatura que ele julgava ser a mais baixa conhecida: o congelamento de
água, sal, e amônia. Por outro lado, tomou a temperatura do corpo humano
como outra referência, e adotou o valor de 96 graus – número arbitrário,
mas que apresenta a comodidade de ser divisível por vários números
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(2,3,4,6,8,12 etc.). Desse modo, na escala Fahrenheit, o ponto de gelo
corresponde ao valor 32 e o ponto de vapor tem o valor 212.
Uma outra unidade de temperatura foi proposta, em 1848, pelo físico
irlandês William Thomson Kelvin, essa unidade está relacionada à
temperatura mínima do universo. Verificou-se que não há teoricamente um
limite superior para a temperatura que um corpo pode alcançar, ou seja, não
há um estado mais quente que todos os demais. A temperatura pode subir
constantemente. Entretanto, observa-se que existe um estado natural,
quando tentamos abaixar a temperatura, isto é, há um estado térmico em
que cessa a agitação térmica, ou seja, as moléculas estão em repouso. Ao
cessarem quaisquer tipos de movimentos associados às partículas, dizemos
que a matéria se encontra em sua menor temperatura possível, que
corresponde a -273°C. Essa temperatura, por convenção, é considerada
como sendo zero kelvin. Dessa maneira, a temperatura Kelvin não possui
números negativos, sendo, por isso, também chamada de temperatura
absoluta (zero absoluto). A temperatura zero kelvin estabelece um limite
inferior pra temperaturas possíveis e não pode ser atingida. Em laboratório,
já foi possível atingir temperaturas muito próximas de 0 K. Em Kelvin, o
ponto de gelo assume o valor 273 e o ponto devapor 373 (a rigor, 273,15 e
373,15, respectivamente).
RESUMINDO:
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Abaixo, vemos três termômetros, os pontos fixos de gelo e vapor e, também,
a temperatura mais baixa na natureza, nas três escalas 0K, -273,15 e -459F.



PONTO DE FUSÃO DO GELO:
273 K
0° C
32°F
PONTO DE EBULIÇÃO DA ÁGUA:
373 K
100°C
212°F
0K
-273,15°C
-459°F
ZERO ABSOLUTO:
Tomando por base o intervalo entre o gelo fundente e a água em ebulição, a
escala Celsius foi dividida em cem partes iguais e, por esse motivo, ela
também é conhecida como escala centígrada. Cada uma dessas partes
corresponde a 1 grau Celsius. Essa divisão prolonga-se abaixo de zero e
acima de 100.
Na escala Fahrenheit, o intervalo entre 32 e 212 é dividido em 180 partes
iguais (escala não centígrada). Cada uma dessas partes corresponde a 1
grau Fahrenheit.
E, como vimos na escala Kelvin,o intervalo entre 273 e 373 é dividido em
100partes. Cada uma dessas partes corresponde à variação de 1 kelvin.
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A ULA 3
-Escalas Termométricas
-Conversão entre as Escalas
-Escalas Termométricas: Uma Visão Geral
ESCALAS TERMOMÉTRICAS
O conjunto dos valores numéricos que a temperatura pode assumir
constitui uma escala termométrica. Ela é estabelecida ao se graduar um
termômetro. Ou, de outra forma, chamamos de escala termométrica a
sequência ordenada de todas as temperaturas possíveis, que definem,
em graus,todos os estados térmicos ordenados desde os mais frios aos
mais quentes.
Escalas termométricas relativas:
a) Escala Celsius - A escala Celsius é a mais utilizada. É adotada em
quase todos os países do mundo. Escala Celsius é a sequência
ordenada de todos os valores possíveis de temperatura, tendo como
ponto do gelo zero graus, e tendo como ponto de vapor, cem graus. O
intervalo entre os pontos de gelo e vapor é dividido em cem partes
iguais, cada uma chamada de grau.
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b) Escala Fahrenheit: é a sequência ordenada de valores numéricos de
todas as temperaturas possíveis, tendo como ponto de gelo 32 graus
Fahrenheit e ponto de vapor, 212 graus Fahrenheit. O intervalo entre
esses números é dividido em 180 partes iguais, cada uma
correspondente a um grau Fahrenheit.
c) Escala Kelvin: é a sequência ordenada de todos os valores possíveis
de temperatura, tendo como ponto fixo de gelo 273 graus Kelvin e
ponto de vapor, 373 graus Kelvin. O intervalo entre eles é dividido em
100 partes iguais.
CONVERSÃO ENTRE AS ESCALAS:
Como passar de uma escala a outra? Ou seja, como encontrar, por exemplo, o
valor, na escala Fahrenheit e Kelvin, para a temperatura normal do corpo
humano, que equivale a aproximadamente 36°C?
Antes de respondermos a esta questão, vamos supor que queiramos saber
uma temperatura qualquer, intermediária entre os pontos fixos. Esta
temperatura terá um valor tC (ou TC ou C, ou ainda, C, conforme escolha do
autor) na escala Celsius, tF (ou TF ou F, ou ainda, F,conforme escolha do
autor) há escala Fahrenheit, e um valor tK (ou TK ou K, ou ainda, K,
conforme escolha do autor) na escala Kelvin.
De acordo com o esquema abaixo, temos que o segmento t C - 0 está para o
segmento 100 – 0, assim como o segmento tF- 32 está para o segmento 212 –
32, assim como o segmento tK – 273 está para o segmento 373 – 273 :
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Esta equação algébrica obtida pode ser ainda mais simplificada.
Observe:
Simplificando, e separando as expressões para poder utilizá-las na
prática, temos, para a transformação na escala Fahrenheit:
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E para a escala Kelvin:
ESTAS SÃO AS FÓRMULAS (ou expressões ou funções) DE
CONVERSÃO ENTRE AS ESCALAS TERMOMÉTRICAS.
Para resolvermos questões como, por exemplo, a dada no início deste
estudo, (passar 36°C para Fahrenheit e Kelvin), é so aplicar as fórmulas.
Resolvendo, encontraremos para 36°C, o valor 96,8°F e o valor 309K.
Faça, como exercício.
ESCALAS TERMOMÉTRICAS: UMA VISÃO GERAL
A partir da análise da construção e da calibração do termômetro de
mercúrio, podemos generalizar o estudo para qualquer tipo de
termômetro.
De maneira genérica, indicamos a grandeza termométrica pela letra G. A
relação matemática entre a temperatura tC e a grandeza termométrica G
é uma função do primeiro grau (função linear).
Por meio de experiências para a determinação dos pontos fixos,
encontramos sempre dois pares ordenados, relacionando G e tC. Para o
primeiro ponto fixo, temos: grandeza termométrica G1 e temperatura t1; e,
para o segundo ponto fixo, temos: grandeza termométrica G2e
temperatura t2.Assim, podemos relacionar G e t por meio de um
gráfico, de uma tabela ou de uma equação. Para determinar uma
temperatura desconhecida de um corpo qualquer, colocamos o
termômetro e o corpo em contato, até que atinjam o equilíbrio térmico. A
grandeza termométrica atingirá um valor, G, qualquer. Determinamos,
então, o valor de t, consultando o gráfico, a tabela ou, substituindo t na
equação.
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