CELSIUS, TEMPERATURA E CALOR PARTE 1. CONTEÚDOS Equilíbrio térmico Temperatura Escalar termométricas

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1 CELSIUS, TEMPERATURA E CALOR PARTE 1 CONTEÚDOS Equilíbrio térmico Temperatura Escalar termométricas AMPLIANDO SEUS CONHECIMENTOS Iniciamos agora uma reflexão sobre um outro campo de estudo da Física relacionado aos fenômenos térmicos: a Termodinâmica. Isso não significa que os conceitos estudados até o momento não serão retomados. Muitos desses conceitos serão relembrados e você vai nota-los de uma maneira mais ampla. Mais do que entender um conceito, é importante percebê-lo como um elo que pode ser ligado a diversos outros conceitos que associados influenciam o homem e o desenvolvimento tecnológico e científico. Um conceito importante relacionado aos estudos da Termodinâmica é o equilíbrio térmico. Lembre-se que dois sistemas estão em equilíbrio térmico, um com o outro, quando estão à mesma temperatura. Imagine um ambiente isolado, onde foram colocados alguns objetos como: uma pedra de gelo, uma jarra com água fria e uma barra de metal aquecido. Havendo ou não contato entre eles, os corpos quentes vão esfriar e os corpos frios vão aquecer. Depois de certo tempo, todos atingirão a mesma temperatura. E por falar em temperatura as escalas mais utilizadas para a sua medição são: A escala Celsius amplamente utilizado no Brasil. Ela considera a temperatura 0 ºC (zero graus), o ponto de fusão da água, e a temperatura de 100 ºC (cem graus) como o ponto de ebulição da água. A escala Fahrenheit muito utilizada nos países de língua inglesa. Ela considera 37 ºF como o ponto de fusão do H 2 O, e 212 ºF o ponto de ebulição. A escala Kelvin denominada escala absoluta, é bastante utilizada para fins técnico-científicos. Na 13 a Conferência Geral de Pesos e Medidas (167), o nome da unidade de temperatura foi modificado de grau Kelvin ( o K) para kelvin. Anteriormente a essa conferência, lia-se "grau Kelvin". Atualmente aboliu-se a palavra "grau" quando se trabalha com a escala Kelvin. Por exemplo: 1K, lê-se um kelvin, 2K, lê-se dois kelvin. A escala Kelvin, surgiu a partir de reflexões sobre os valores máximos e mínimos de temperatura que um corpo pode atingir. Demonstrou-se, posteriormente, que existe um

2 valor mínimo de temperatura que um corpo pode atingir. "Há um estado térmico mais frio do que qualquer outro que corresponde à cessação do movimento de agitação térmica de todos os átomos e moléculas de um corpo". Observe que esse é um valor que não foi atingido na prática. O que se conseguiu foi chegar a valores próximos a este. Qual é o significado físico de 273 o C? É a menor temperatura que um corpo pode ter, ou seja, é um número associado ao movimento dos átomos de um corpo e mede o menor grau de agitação desses. O valor 273 ºC é a menor quantidade de agitação que os átomos de um corpo podem ter. As escalas termométricas possuem relações entre si que são matematicamente expressas da seguinte forma: Temperatura na escala Celsius Temperatura na escala Fahrenheit θc = 5(θF 32) Temperatura na escala Kelvin Temperatura escala Celsius na T = θc Outro ponto importante é o fenômeno da dilatação. Trata-se do aumento do tamanho dos objetos, quando estão aquecidos. Vale aqui uma ressalva muito importante sobre a definição do conceito de temperatura que está intimamente ligado ao movimento (grau de agitação) dos átomos de um objeto. Já é de nosso conhecimento que corpos em movimento possuem uma energia denominada energia cinética. Entretanto, temperatura e calor são grandezas distintas, como veremos no próximo capítulo. A temperatura representa a medida do grau de agitação térmica média das partículas (moléculas ou átomos) que compõem uma substância. Essa agitação é a energia cinética média de translação que permite o movimento das moléculas de um lugar para outro. (Pietrocola, 2011)

3 Vale lembrar, que na dilatação dos corpos ocorre o aumento da distância média entre os átomos do objeto e, consequentemente, o aumento do seu volume. Pesquisa O tato é suficiente para se conhecer a temperatura dos objetos? Existindo dois corpos a temperaturas diferentes, o que fazer para que ambos fiquem na mesma temperatura? Seria possível verificar se dois corpos estão com a mesma temperatura, sem colocá-los em contato um com o outro? Calor e temperatura possuem, na Física, o mesmo significado? ATIVIDADES 1. Na ilustração ao lado, aparece um termômetro digital. Analise as informações referentes à temperatura que aparecem no mostrador e responda: a) Qual foi a escala termométrica utilizada? b) Realize os cálculos necessários para expressar a temperatura apresentada nas duas outras escalas termométricas estudadas neste capítulo. Figura 1 Termômetro digital Fonte: Agrella

4 2. A ilustração apresenta um sensor no formato circular que informa a temperatura nas escalas Celsius e Fahrenheit. No momento em que a fotografia foi tirada, o indicador de temperatura ficou sobreposto ao valor da temperatura na escala Celsius que corresponde a 50 graus Fahrenheit. Qual é esse valor? Figura 2 Sensor circular de temperatura Fonte: Agrella 3. Apresentamos a seguir, uma tabela com alguns valores de temperatura em o C. Expresse os valores apresentados na escala Kelvin. Temperatura ( o C) Interior de um freezer ( 17) Temperatura (K) Interior de um refrigerador (entre 4,0 e 7,0) Corpo humano (36,5) 64km abaixo da superfície da Terra (1.800) Filamento de uma lâmpada (2.500)

5 4. (UFTM ) Um casal de norte-americanos visitou a Bahia e experimentou o tradicional acarajé, aprendendo que lá, quente, além do que se espera para essa palavra, pode ser traduzido como muuuuito apimentado! De qualquer modo, gostaram dessa comida, gostaram tanto, que pediram a receita. Para a versão apimentada da palavra quente, não tiveram dificuldades para a tradução, entretanto, para expressar a temperatura de 200 ºC na qual os bolinhos eram fritos, tiveram que realizar uma conversão, encontrando o valor em Fahrenheit, correspondente a a) 3 ºF. b) 168 ºF. c) 302 ºF. d) 32 ºF. e) 414 ºF. LEITURA COMPLEMENTAR A teoria cinético-molecular da matéria e o conceito físico de temperatura Elaborada principalmente durante o século XIX, pelo físico britânico Benjamin Thompson (Conde de Rumford, ), pelo físico alemão Rudolf Clausius ( ) e pelo matemático e físico escocês James Clerk Maxwell ( ), a teoria cinético-molecular buscou explicar, inicialmente, de que é constituída a matéria no estado gasoso e como ela está organizada. Posteriormente, devido ao seu sucesso, ela possibilitou a compreensão da matéria nos outros estados: o líquido e o sólido. A palavra "cinético" ou "cinética" tem origem grega e significa movimento. É uma primeira pista para entendermos o que vem a ser essa teoria. Os físicos que a elaboraram partiram de duas hipóteses: a matéria no estado gasoso seria formada de minúsculas partículas, denominadas moléculas, com tamanho da ordem de 10-8 cm; nesse estado, tais moléculas estariam em movimento aleatório ou desordenado. Ou seja, o enorme conjunto de moléculas que formam um gás se movimentaria ao acaso.

6 Ainda segundo essa teoria, as moléculas de um gás estariam completamente separadas umas das outras, não havendo interação entre elas, menos nos curtíssimos instantes em que elas colidem entre si, alterando sua trajetória. De acordo com essas hipóteses, era possível descrever o comportamento dos gases e compreender suas propriedades: o fato de não apresentarem forma ou volume definido era explicado porque as moléculas, no estado gasoso, não estariam ligadas umas às outras; a compressão dos gases era explicada pela grande distância que haveria entre suas moléculas; o fato de eles (os gases) apresentarem baixa densidade, também era devido à separação existente entre suas moléculas. A teoria cinético-molecular permite também distinguir os conceitos de temperatura e calor. A hipótese de que as moléculas de um gás estejam em constante movimento aleatório permite algumas considerações sobre suas velocidades. Esse movimento depende exclusivamente da temperatura do gás e, por esse motivo, é denominado movimento aleatório desordenado. À temperatura ambiente, por exemplo, a velocidade média das moléculas de um gás é da ordem de 500m/s. Quando a temperatura de um gás aumenta, a velocidade média de suas moléculas também aumenta e vice-versa. A temperatura, a velocidade das moléculas e sua energia média são conceitos que estão intimamente relacionados. A temperatura de um gás é a medida do grau de agitação das moléculas que o constituem: desde muito intenso (quando a temperatura é muito alta) até mínimo, (quando a temperatura é muito baixa). William Thompson (lorde Kelvin) matemático e físico escocês ( ), propôs que a energia de movimento das moléculas dos gases chegaria a zero para um determinado valor de temperatura, que chamou de zero absoluto. Propôs ainda que se utilizasse uma escala de temperatura com a marca zero, exatamente no zero absoluto. Quando um gás recebe energia, a velocidade média de suas moléculas aumenta. Consequentemente, a energia cinética total das moléculas do gás aumenta, ou seja, sua energia interna sofre um acréscimo. O efeito perceptível é o aumento da temperatura do gás, uma vez que ela representa uma forma indireta de medir sua energia cinética média. Note que essa mudança de temperatura ocorre porque o gás recebe energia de uma fonte que está a uma temperatura maior que a dele.

7 Já sabemos que quando duas amostras de gás a temperaturas diferentes são colocadas em contato, o equilíbrio térmico é atingido após uma troca de energia entre elas. Assim, sempre que existir uma diferença de temperatura entre dois sistemas ou objetos, uma determinada quantidade de energia é transferida do objeto mais quente para o mais frio. Fisicamente, calor é a transferência de energia de um objeto ou sistema para outro, devido exclusivamente à diferença de temperatura. GONÇALVES FILHO, A.; TOSCANO, C. Física e realidade volume 2. São Paulo: Scipione, 17. INDICAÇÕES Um assunto interessante para aprofundar seus estudos é a relação entre temperatura e a cor da luz emitida por um corpo aquecido. Na tabela abaixo, apresentamos a cor com a qual são vistos alguns objetos quando submetidos a altas temperaturas: Temperatura ( o C) Cor 500 Vermelho 700 Vermelho intenso 00 Laranja Amarelo Acima de Figura 3 Luz emitida por uma vela Fonte: Barlow Branco No endereço eletrônico você obterá mais informações sobre cor e temperatura. REFERÊNCIAS AGRELLA, C. Termômetro digital. Disponível em: <https://freerangestock.com/photos/2323/thermometer-showing-normal-bodytemp.html>. Acesso em: 13 mai h40min.

8 . Sensor circular de temperatura. Disponível em: <https://freerangestock.com/photos/2050/thermometer.html>. Acesso em: 13 mai h20min. GONÇALVES FILHO, A.; TOSCANO, C. Física e realidade volume 2. São Paulo: Scipione, 17. BARLOW. D. Luz emitida por uma vela. Disponível em: <https://freerangestock.com/photos/386/candle.html>. Acesso em: 13 mai h34min. GABARITO 1. a) A escala termométrica utilizada foi a Fahrenheit e o valor apresentado corresponde a 8,6 o F. b) Na escala Celsius teremos: θ C = 5(θ F 32) θ C = 5(8,6 32) θ C = 5(66,6) θ C = 333 θ C = 37 o F Na escala Kelvin, teremos: T = T = 310 K 2. Utilizando a expressão que relaciona as escalas Celsius e Fahrenheit teremos: θ C = 5(θ F 32) θ C = 5(50 32)

9 θ C = 5(18) θ C = 0 θ C = 10 o C 3. Apresentamos a seguir, uma tabela com alguns valores de temperatura em o C. expresse os valores apresentados na escala Kelvin. Temperatura ( o C) Interior de um freezer ( 17) Interior de um refrigerador (entre 4,0 e 7,0) Temperatura (K) T = T = 256 K T = T = 277 K T = T = 280 K Corpo humano (36,5) 64 km abaixo da superfície da Terra (1.800) Filamento de uma lâmpada (2.500) Entre 277 K e 280 K T = 36, T = 30,5 K T = T = K T = T = K 4. Alternativa D Utilizando a expressão: θ C = 5(θ F 32) 200 = 5(θ F 32) 200x = 5(θ F 32) 1800 = 5(θ F 32) 1800 = θ F = θ F = θ F θ F = 32 o F

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