TERMOLOGIA. História breve da Termologia:

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1 TERMOLOGIA AULA 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. 1

2 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. 2

3 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. 3

4 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. 4

5 AULA 2 -Medida da Temperatura -Termômetro -Calibração e Graduação do Termômetro -Escalas Termométricas -Conversão entre as Escalas Termométricas MEDIDA DA TEMPERATURA 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: 5

6 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. 6

7 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. 7

8 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 (h1 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 8

9 (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: 9

10 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 ZERO ABSOLUTO: 0K -273,15 C -459 F 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. 10

11 AULA 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. 11

12 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 tc - 0 está para o segmento 100 0, assim como o segmento tf- 32 está para o segmento , assim como o segmento tk 273 está para o segmento : 12

13 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: 13

14 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 t C 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 t C. Para o primeiro ponto fixo, temos: grandeza termométrica G 1 e temperatura t 1; e, para o segundo ponto fixo, temos: grandeza termométrica G 2 e temperatura t 2. 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. 14