sexta-feira, 5 de abril de 2013

Termometria: temperatura, escalas termometricas e zero absoluto.

A termometria é uma parte da termologia que estuda a temperatura e as formas pelas quais a mesma pode ser medida.

Ideia intuitiva de temperatura: Quando tomamos um banho com água fria temos uma sensação diferente de quanto tomamos banho com água quente. Intuitivamente percebemos que há alguma coisa diferente entre a água fria e a água quente que nos provoca sensações distintas e essa propriedade é chamada de temperatura. Essa noção intuitiva e baseada nos sentidos diretos não é suficiente pra se ter uma noção científica de temperatura.

Sabemos que toda a matéria é feita de átomos e moléculas em constante agitação. Átomos e moléculas se combinam para formar os sólidos, líquidos, gases, plasmas, e outros estados físicos possíveis dependendo da  rapidez com que se movem.

Podemos definir a temperatura da seguinte maneira: "A temperatura é uma grandeza física que está relacionada ao movimento aleatório dos átomos e moléculas de uma substância que em virtude dos seus movimentos possuem energia cinética. Os átomos e moléculas podem girar e vibrar, mas esses movimentos não influenciam diretamente na temperatura de do corpo, a temperatura é proporcional a energia cinética media translacional (pelo qual as moléculas se movimentam de um lado para outro). Portanto, quanto maior a temperatura de um corpo maior o grau de agitação térmica, com isso maior será a energia cinética de seus átomos e moléculas."

Todos os materiais se dilatam quando suas temperaturas se elevam e contraem-se quado a temperatura diminui de modo que o termômetro analógico mede a temperatura por meio da dilatação ou contração de um liquido, normalmente o mercúrio presente em seu interior.  É preciso quantificar e atribuir um número a água fria e um número a água quente que distingua esses estados. Para quantificar em valores e caracterizar a temperatura de um corpo qualquer é preciso um dispositivo: o termômetro com uma escala, "tracinhos".

As primeiras escalas termométricas foram construídas de modo meio arbitrário. A escala Celsius é a escala mais utilizada no Brasil e na maior parte dos países oficializada em 1742 por Ander Celsius baseada nas seguintes escolhas: 0 se atribui a temperatura de congelamento da água então esta temperatura é definida como zero graus Celsius (0 ºC) e a temperatura da água quando entra em ebulição foi atribuída como cem graus Celsius (100 ºC). Como ela vai de zero a cem é também conhecida como escala centigrados. Há uma outra escala muito utilizada nos estados unidos e países de língua inglesa criada em 1708 por Gabriel Daniel Fahrenheit em que as escolhas são diferentes: a mistura de gelo e cloreto de amônia se atribui o grau zero nesta escala (0ºF) e cem para a temperatura do corpo humano (100 ºF). Comparando com a escala Celsius  na escala Fahrenheit em 32 ºF a água vira gelo em 212 ºF a água sofre ebulição (0 ºC = 32 ºF e 100 ºC = 212 ºF).

Se nos medimos a temperatura de alguma coisa essa temperatura e cateterística dessa coisa, mas obteremos números diferentes se usarmos um termômetro calibrado na escala Celsius ou calibrado na escala fahrenheit. Como obter uma relação entre essas temperaturas em escalas diferentes? Se a temperatura que estamos medindo para um corpo é um valor TC na escala Celsius haverá  para esta mesma temperatura, um valor TF na escala fahrenheit. Qual a relação entre esse número TC e esse numero TF? Como as duas escalas são lineares podemos fazer uma seguinte relação geométrica entre as escalas (fígura).


O tamanho "a" na escala Celsius  (TC-0) deve representar uma fração do intervalo total "b" (100 - 0) assim como a diferença "a", na escala fahrenheit (TF - 32) representa para o tamanho  "b" (212 - 32). Se TC for a metade da escala Celsius TF deve representar a metade na escala Fahrenheit. Se TC é um terço de 100, F deve ser um terço de 180.

Em 1848 Willian Thomson, que recebeu o título de nobreza lorde Kelvin, estabeleceu uma escala absoluta, a chamada Escala Kelvin. Kelvin verificou experimentalmente que a pressão de um gás diminuía 1/273 do valor inicial, quando resfriado a volume constante de 0 °C para – 1 °C. Como a pressão do gás está relacionada com o choque de suas partículas com as paredes do recipiente, quando a pressão fosse nula, as moléculas estariam em repouso, a agitação térmica seria nula e a sua temperatura também. Conclui, entáo, que isso aconteceria se transformássemos o gás até – 273 °C. Assim, Kelvin atribuiu o valor zero para este estado térmico e o valor de 1 kelvin a uma extensão igual à do grau Celsius, de modo que o ponto de fusão do gelo corresponde a 273 K e o ponto de ebulição da água corresponde a 373 K (o nome e o símbolo grau kelvin foram abolidos em convenção científica internacional e substituídos simplesmente por kelvin; portanto, ao invés de 10 °K, escreve-se 10 K e lê-se: dez kelvin).

Como a temperatura de um corpo está relacionada com o grau de agitação de suas moléculas, podemos dizer que as escalas Celsius e Fahrenheit são relativas, uma vez que elas não atribuem o valor zero ao estado de agitação molecular mais baixo.

A temperatura está relacionada à energia de movimento das moléculas de um corpo; assim, ao diminuirmos sua temperatura, suas moléculas ficam mais lentas. Podemos imaginar um estado em que todas as moléculas estão paradas, ou seja, agitação térmica nula correspondendo à temperatura zero, a qual denominamos zero absoluto. O que é zero absoluto? É a menor temperatura que qualquer coisa pode atingir no universo. Qualquer átomo ou molécula que chegar a zero da escala Kelvin (0K ou -273,15 °C) ficaria imóvel. Mas isso não passa de uma teoria, já que não foi possível atingir a temperatura nem mesmo em laboratório – o recorde de aproximação está em 0,000000000001K. Em experiências, cientistas descobriram que em baixas temperaturas um corpo pode passar por três efeitos colaterais: a supercondutividade, a superfluidez e a condensação de Bose-Einstein. Bobinas do Colisor de Hádrons (LHC) chegam a 1,9K (-271 °C ) em resfriamento.

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