02/08/2016 ESTUDO DA TERMOLOGIA. Professor Paulo Christakis, M.Sc. Professor de Ciências Física

Transcrição

1 ESTUDO DA TERMOLOGIA Professor Paulo Christakis, M.Sc. Professor de Ciências Física

2 INTRODUÇÃO A termologia é o capítulo da física que estuda os fenômenos ligados a uma forma de energia capaz de aquecer, resfriar ou mudar o estado físico de uma substância (o calor). A termometria estuda a temperatura.

3 TEMPERATURA É a grandeza que mede o nível de agitação das partículas (átomos, moléculas, íons, etc.) de um corpo. Quanto mais agitadas estiverem as partículas de um corpo, maior será sua temperatura.

4 EXPERIÊNCIA DE JOHN LOCKE O tato é um método de verificação de temperatura muito limitado, pois não podemos tocar em objetos muitos quentes ou muito frios. O garoto após colocar as duas mãos na água morna terá sensação de quente com a mão direita e de frio com a mão esquerda, ou seja, duas sensações diferentes para uma mesma temperatura.

5 EQUILÍBRIO TÉRMICO Quando dois ou mais corpos que possuem temperaturas diferentes estão num recinto isolado termicamente, após certo intervalo de tempo eles atingem o equilíbrio térmico (mesma temperatura). Ex: Um feijão retirado do fogo e um copo com água da geladeira são colocados sobre a mesa. Após alguns minutos, observamos que ambos atingiram a temperatura ambiente (o feijão esfriou e a água esquentou ).

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7 TERMÔMETRO A palavra termômetro origina-se do grego thermo que significa quente e metro que significa medida. Assim, termômetro é definido como o instrumento que mede temperatura. A construção de um termômetro está baseada no uso de alguma grandeza física que depende da temperatura, como o volume de um gás mantido a pressão constante, o volume de um corpo e a resistência elétrica de condutores metálicos entre outras grandezas.

8 Para a medida da temperatura de um corpo com um termômetro, é preciso esperar o equilíbrio térmico, isto é, quando em contato com o corpo, precisamos esperar alguns minutos para que o termômetro e o corpo estejam a mesma temperatura, e assim, podernos medir seu valor.

9 Contudo, é preciso cuidar de escolher termômetros próprios para que se consiga atingir os objetivos, pois a massa do termômetro deve ser bem menor que a massa do objeto cuja temperatura queremos medir, caso contrário o termômetro poderá alterar a temperatura do corpo, como por exemplo, um termômetro comum e uma gota de água.

10 Contudo, é preciso cuidar de escolher termômetros próprios para que se consiga atingir os objetivos, pois a massa do termômetro deve ser bem menor que a massa do objeto cuja temperatura queremos medir, caso contrário o termômetro poderá alterar a temperatura do corpo, como por exemplo, um termômetro comum e uma gota de água.

11 O termômetro clínico da foto está graduado simultaneamente nas escalas Celsius (entre 35 0 C e 42 0 C) e Fahrenheit (entre 94 0 F e F). A graduação é feita apenas entre esses valores extremos porque eles correspondem aos limites da temperatura do corpo humano.

12 Esse termômetro utiliza a dilatação de líquidos, principalmente o mercúrio. São construídos para medir temperaturas entre 34 o C e 43 o C que são consideradas temperaturas críticas, pois a temperatura considerada normal de nosso corpo é 36,5 o C.

13 Apresenta um tubo capilar com um estrangulamento na base, junto ao bulbo, o que permite a passagem do mercúrio quando sofre a dilatação, mas que impede o seu retorno quando se contrai, por isso este termômetro continua indicando a temperatura do corpo mesmo sem contato com o corpo e por um longo intervalo de tempo mesmo que o termômetro seja levado a um local com temperatura mais baixa. Para que o líquido termométrico volte à posição inicial no interior do bulbo, é necessário sacudi-lo rapidamente.

14 Mais moderno que o termômetro clínico comum são os termômetros de cristal líquido também utilizados para a medida da temperatura do corpo humano. São pequenas faixas plásticas transparentes com pequenos retângulos que contêm um cristal líquido que entram em contato com o corpo e, conforme o valor da temperatura, o cristal no seu interior, muda de cor. Porém, os especialistas dizem que não são muito confiáveis.

15 Da mesma forma que o clínico, há o termômetro a álcool, normalmente utilizado em laboratório de ciências, pois possui escala entre -10 o C e 150 o C. É também usado em residências, para verificar a temperatura ambiente. Alguns termômetros desse tipo utilizam corantes vermelhos, possuindo um custo mais baixo que o de mercúrio, e além disso, são menos prejudiciais a nossa saúde, pois o mercúrio é um metal tóxico e um de seus efeitos colaterais é a doença renal.

16 Há os termômetros de máxima e mínima que, como o próprio nome sugere, indicam a temperatura mais alta e a mais baixa atingida pelo termômetro em um certo intervalo de tempo. São termômetros utilizados em meteorologia, sendo que, com uma única leitura, pode-se determinar a temperatura máxima e mínima atingida desde a última vez que o termômetro foi ajustado de modo que a temperatura máxima e mínima viessem a coincidir entre si e com a temperatura ambiente.

17 Quando a temperatura aumenta o álcool se dilata e passa livremente pelo flutuador fazendo com que o mercúrio se expanda levando o flutuador a correspondente temperatura - a máxima. Quando a temperatura diminui o álcool se contrai e leva o mercúrio e, consequentemente, o outro flutuador que registra a menor temperatura - a mínima.

18 A coluna de mercúrio apresenta o formato da letra "U" e em suas extremidades há dois bulbos: um totalmente preenchido por álcool e o outro só parcialmente. Nos extremos das colunas de mercúrio há dois flutuadores de ferro esmaltado que são os índices das temperaturas, pois sobem quando o mercúrio se dilata, mas que ficam presos ao tubo capilar quando o mercúrio se contrai devido ao atrito com a parede do tubo e só retornam a posição original com o auxílio de um ímã.

19 Os termômetros a gás medem a temperatura através da leitura da pressão do gás mantido a volume constante. Pode ser graduado fazendo com que cada volume corresponda a um valor de temperatura na escala Celsius, por exemplo. São utilizados para a medida de baixas temperaturas, usando-se o gás hélio, cuja temperatura de condensação, sob pressão atmosférica, é de aproximadamente -269 o C.

20 Atualmente são utilizados os termômetros de radiação que atuam a grandes distâncias, isto é, sem contato com o objeto. São usados nos satélites meteorológicos para a obtenção da temperatura na atmosfera e na superfície da Terra e podem medir temperaturas entre -50 o C e 3000 o C. Pode ser utilizado para a medida de temperatura de qualquer sistema que emite radiação eletromagnética na forma de luz visível ou radiação infravermelha, assim como a radiação de corpo negro. Um exemplo de termômetro desse tipo é o pirômetro óptico.

21 Através da radiação infravermelha, pode-se fazer a imagem da distribuição de temperatura do corpo humano localizando infecções, ou detectar problemas com a rede elétrica encontrando os pontos onde os fios estão mais quentes. Também são usados em equipamentos de visão noturna sendo possível identificar pessoas, animais e até vegetais mais quentes que outros em uma floresta. A essa técnica dá-se o nome de termografia.

22 Para altas temperaturas utiliza-se o termômetro conhecido por pirômetro óptico que é utilizado para a medida de temperaturas de metais incandescentes, fornalhas ou estrelas, pois pode ser usado à distância e pode medir temperaturas acima do ponto de fusão dos materiais que o constituem.

23 Há ainda o termômetro de lâmina bimetálica que é constituído por duas lâminas de metais diferentes soldadas uma com a outra e que, quando aquecidas, dilatam-se. Como os metais são diferentes, com a variação de temperatura, um se dilata mais que o outro o que provoca um encurvamento da lâmina. Há também os que tem forma de espiral com uma extremidade fixa e a outra livre, com um ponteiro que gira com o aquecimento indicando a temperatura em um mostrador.

24 Termômetros desse tipo funcionam entre temperaturas de -5 o C e 300 o C e são utilizados no controle de temperatura de fornos, ferros elétricos e saunas.

25 Existem ainda os termômetros digitais baseados em propriedades elétricas ou eletrônicas. Podem ser encontrados em relógios de pulso e em equipamentos eletrônicos como computadores. A medida da temperatura é feita através da variação de suas características elétricas. Os mais comuns utilizam um resistor que faz parte de um circuito elétrico que aciona o indicador de temperatura de acordo com o valor da resistência.

26 O controle da temperatura e sua medida também são realizadas através dos dispositivos denominados termopares que são usados em painéis de automóveis para a indicação da temperatura do motor. Geralmente há uma lâmpada que acende quando há superaquecimento. Podem medir até 1800 o C, sendo também utilizados na indústria, na medida da temperatura de fornos de fundição de metais e vidros.

27 ESCALAS TERMOMÉTRICAS É um conjunto de valores numéricos em que cada valor está associado a uma temperatura. Os valores de uma escala termométrica são obtidos arbitrariamente e atribuídos a dois estados térmicos denominados pontos fixos, conforme a seguinte descrição: 1.º ponto fixo: corresponde ao ponto de gelo (temperatura na qual podemos encontrar gelo e água em equilíbrio térmico sob pressão normal 1 atm). 2.º ponto fixo: corresponde ao ponto de vapor (temperatura de ebulição da água sob pressão normal).

28 Escala Celsius É a escala mais utilizada no mundo inteiro. Foi idealizada pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius ( ). Essa escala foi apresentada e oficializada em 1742 em uma publicação da Real Academia Sueca de Ciências. O primeiro ponto fixo corresponde a 0 C e o segundo ponto fixo a 100 C. A escala Celsius é dividida de forma centesimal, ou seja, o intervalo entre os dois pontos fixos é dividido em 100 partes iguais. A cada parte corresponde a temperatura de 1 grau Celsius.

29 Escala Fahrenheit A escala Fahrenheit é utilizada geralmente nos países de língua inglesa. Foi proposta pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit ( ). A princípio, ele propôs para uma mistura de gelo e cloreto de amônia a temperatura de 0 F e, para o corpo humano, 100 F. Quando a água começou a ser utilizada como substância de referência, a relação para o primeiro ponto fixo passou a ser 32 F e, para o segundo ponto fixo, 212 F. A divisão dessa escala entre os pontos fixos é de 180 partes.

30 Escala Kelvin (escala absoluta) Kelvin (símbolo K) é o nome da unidade de temperatura do Sistema Internacional de Unidades e recebe o nome do físico e engenheiro britânico William Thomson ( ), que se tornou Lorde Kelvin. Esse físico propôs para o primeiro ponto fixo a temperatura de 273 K (não se usa a expressão grau) e, para o segundo ponto fixo, a temperatura de 373 K. O intervalo entre os pontos fixos é o mesmo da escala Celsius, 100 partes. A escala formulada por Kelvin é absoluta, pois tem seu início no zero absoluto. Essa escala não admite temperatura negativa.

31 Escala Kelvin (escala absoluta) Kelvin (símbolo K) é o nome da unidade de temperatura do Sistema Internacional de Unidades e recebe o nome do físico e engenheiro britânico William Thomson ( ), que se tornou Lorde Kelvin. Esse físico propôs para o primeiro ponto fixo a temperatura de 273 K (não se usa a expressão grau) e, para o segundo ponto fixo, a temperatura de 373 K. O intervalo entre os pontos fixos é o mesmo da escala Celsius, 100 partes. A escala formulada por Kelvin é absoluta, pois tem seu início no zero absoluto. Essa escala não admite temperatura negativa.

32 Zero absoluto (0 K) Quando elevamos a temperatura de um corpo, aumentamos o estado de agitação de suas moléculas. Ao diminuir essa temperatura, o estado de agitação das moléculas também diminui. Se continuarmos reduzindo a temperatura desse corpo, a tendência é cessar o movimento das moléculas, chegando-se à menor temperatura que um corpo poderia alcançar, situação inatingível até os dias de hoje.

33 Corresponde à temperatura em que as partículas de um sistema cessariam seu movimento vibratório, isto é, estado de agitação nulo. Essa temperatura é na realidade apenas teórica, pois nunca se conseguiu tal valor. A temperatura mais baixa até hoje conseguida foi de 2,8.10 (-10) K e está no Guinness, o livro dos recordes (feito anunciado em 1993, realizado no Laboratório de baixas Temperaturas da Universidade de Tecnologia de Helsinque, na Finlândia).

34 CONVERSÃO ENTRE AS ESCALAS Às vezes é necessário transformar uma indicação na escala Fahrenheit para escala Celsius e vice-cersa. Abaixo mostraremos a relação que existe entre as escalas Celsius, Fahrenheit e kelvin. C: Temperatura Celsius F: Temperatura Fahrenheit K: Temperatura Kelvin

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36 CONVERSÃO ENTRE AS VARIAÇÕES São comuns situações em que se observa a variação de temperatura. Por exemplo: em certo dia, a temperatura mínima em uma determinada cidade foi de 15 C, e a máxima, de 25 C. A temperatura variou, então, 10 C. Para determinar essa variação em outra escala, é preciso utilizar as proporcionalidades entre as divisões da escala. ΔC: Variação Celsius ΔF: variação Fahrenheit ΔK: Variação Kelvin

37 EXERCÍCIOS 1. Quando podemos dizer que dois corpos estão em equilíbrio térmico? 2. Efetue as seguintes transformações: a) 40 C em F b) 303 K em C c) 59 F em C d) 86 F em K

38 CALOR Consideremos a seguinte situação: um corpo mais quente entra em contato com um corpo mais frio. Após um tempo, os dois corpos ficam com temperaturas iguais, pois atingem o equilíbrio térmico. O que será que passa de um corpo para outro quando eles estão com diferentes temperaturas? Será que o que é transferido é a própria temperatura?

39 Em 1770, o cientista britânico Joseph Black ( ) mostrou que, quando misturamos partes iguais de um líquido (leite, por exemplo), inicialmente com temperaturas diferentes, ocorre uma mudança significativa das temperaturas de ambas as partes. Todavia, se derramarmos um copo de leite morno em um balde cheio de água a 0 C e com vários cubos de gelo fundente, e isolarmos esse sistema, a temperatura do leite mudará expressivamente, mas a da mistura de água e gelo não. Com esse simples experimento, o cientista demonstrou que aquilo que é transferido nesse processo não é a temperatura.

40 Assim, durante os processos citados, o que ocorreu foi uma transferência de energia térmica do corpo mais quente para o corpo mais frio até o momento em que atingiram a mesma temperatura. Essa energia transferida é denominada calor.

41 Calor é a energia térmica em trânsito motivada por uma diferença de temperatura. Essa energia é transferida espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Sendo θa a temperatura do corpo A, e θb a temperatura do corpo B, temos que:

42 UNIDADES DE QUANTIDADE DE CALOR Calor é uma forma de energia. Logo, a unidade para medir a quantidade de calor trocada em um processo no Sistema Internacional será o joule (J). No entanto, no estudo da Termologia, é muito comum usar a unidade caloria (cal).

43 MODALIDADES DE CALOR Fornecer ou retirar calor de um corpo traz algumas consequências. Ele pode tanto sofrer variações de temperatura como mudar de estado físico. Por exemplo, quando um pedaço de metal é colocado sob uma chama, nota-se que o calor recebido provoca uma mudança na temperatura do metal. A essa modalidade de calor é dado o nome de calor sensível.

44 Nessa fórmula, c é uma constante de proporcionalidade denominada calor específico sensível, sendo uma grandeza característica da substância. Seu valor está sujeito à temperatura da substância e ao estado físico e não depende da massa. A unidade usual do calor específico é o cal/g C.

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46 Quando um cubo de gelo é retirado do congelador e deixado em contato com o meio ambiente, pode-se observar uma mudança de estado, a fusão do gelo. A essa modalidade de calor é dado o nome de calor latente.

47 A constante de proporcionalidade L é a quantidade de calor que se deve fornecer para cada unidade de massa da substância ou retirar dela para mudar de estado. A unidade usual é a cal/g.

48 O calor sensível e o calor latente não ocorrem simultaneamente. Para exemplificar, vamos utilizar o aquecimento de uma determinada massa de gelo inicialmente a -10 C até sua transformação em vapor, a 130 C. As transformações estão indicadas no esquema a seguir:

49 49 Referências Os fundamentos da física. Disponível em: < Acesso em: 01/05/2016. Desenhos e charges. Disponíveis na internet. Acesso em: 01/05/2016.