TEMPERATURA

O que é temperatura? Quando tocamos um corpo qualquer, podemos dizer se ele está "frio", "quente" ou "morno". O tato nos permite ter essa percepção. Mas em que um corpo "frio" difere de um corpo "quente" ou "morno"?

As moléculas dos corpos estão em constante movimento, em constante vibração. A energia de movimento que elas possuem é chamada energia térmica.

Se pudéssemos enxergar as moléculas de um corpo, que iríamos verificar que naquele está "frio" elas vibram menos do que naquele que está "quente".

Podemos afirmar que:

• • •

Temperatura: é a grandeza física que mede o estado de agitação térmica dos corpos.

Termômetros

As substâncias em geral dilatam-se (aumentam de volume) quando sofrem aumento de temperatura. Assim, uma barra de ferro, por exemplo, aumenta de comprimento quando colocada no fogo.

Do mesmo modo, o volume de contido num gás balão elástico aumenta quando cresce a temperatura. A coluna de mercúrio contida num tubo sofre o mesmo efeito e aumenta de altura.

A propriedade que os corpos apresentam de mudar de volume, quando se modifica a temperatura, pode ser usada para medir temperaturas.

Os termômetros de mercúrio, muito comuns em laboratórios, clínicas médicas e mesmo em casa, funcionam baseados na dilatação do mercúrio.

Digamos, por exemplo, que precisamos medir a temperatura da água de um copo.

Colocamos o termômetro dentro dele e aguardamos alguns minutos para que a água e o termômetro entrem em equilíbrio térmico. A variação de temperatura, para mais ou para menos, sofrida pelo mercúrio vai fazer com que seu volume varie, para mais ou para menos. Com isso, ele sobe ou desce na escala de temperaturas, indicando o valor correto da temperatura .

ESCALA CELSIUS

Escala celsius

No século XVII, o físico e astrônomo sueco Anders Celsius sugeriu que a temperatura de fusão do gelo, ao nível do mar, recebesse o valor arbitrário de 0 grau (hoje 0o C), e que a temperatura de ebulição da água, também ao nível do mar, fosse fixada em valor 100 graus igualmente (100o C, arbitrário).

Escolhidos os pontos de fusão e ebulição da água, pode-se agora construir um termômetro calibrado na escala Celsius. Para isso é necessário um tubo fino (tubo capilar) de vidro, com um reservatório para o mercúrio.

Coloca-se o conjunto num recipiente com gelo em fusão (que, portanto, está à temperatura de 0o C), e, minutos, quando o após alguns mercúrio parar de descer, por entrar em com a mistura equilíbrio térmico água-gelo, faz-se uma marca para 0o C.

Em seguida, coloca-se o tubo em água fervente (que na escala Celsius está a 100 graus) e faz-se uma marca para 100o C. A seguir divide-se o espaço entre as duas marcas em 100 partes e fecha-se o tubo. O termômetro está pronto para ser usado.

Escala Fahrenheit

nos Na escala Fahrenheit, ainda em uso países de língua inglesa, ao 0 e ao 100 da escala Celsius correspondem respectivamente os números 32 e 212.

Assim, entre a temperatura de gelo e da fusão do ebulição da água, estão compreendidos 180 º F.

Escala Kelvin

Sabe-se que não há, teoricamente, um limite superior para a temperatura que um corpo pode alcançar.

Observa-se, entretanto, que existe um limite inferior.

Os cientistas verificaram que é impossível reduzir a temperatura de qualquer substância a um valor inferior a -273º C (o zero absoluto).

O físico inglês lorde Kelvin propôs uma escala termométrica, que leva o seu nome. Tal escala tem origem no zero absoluto, usando como unidade de variação o grau Celsius. Na escala Kelvin, a temperatura de fusão corresponde a 273 K e a de do gelo ebulição da água, a 373 K.

Relação entre as Escalas Termométricas

Relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit

Dado um valor de temperatura em uma escala, podemos obter seu valor correspondente em outra escala. Para obtermos a relação entre as leituras nas duas escalas devemos estabelecer a proporção entre os segmentos determinados termômetro na haste de cada

Dado um valor de temperatura em uma escala, podemos obter seu valor correspondente obtermos a em outra escala.

Para relação entre as leituras nas duas escalas proporção devemos entre os estabelecer determinados na haste de cada a segmentos termômetro.

tc /5 = tf - 32 /9 tC = temperatura Celcius tF = temperatura Fahrenheit

Relação entre as escalas Celsius e Kelvin

tC = tK – 273 tC = temperatura Celcius tK = temperatura Kelvin

Algumas Temperaturas Ar liquefeito Maior Temperatura superfície da Terra na Menor Tempertura superfície da Terra na Ponto de madeira combustão da Ponto de papel combustão do Ponto chumbo de fusão do Ponto de fusão do ferro Ponto do gelo Ponto de mercúrio solidificação do Ponto do vapor Temperatura do gás natural na chama Temperatura superfície do Sol Zero absoluto na Escala Celsius ( °C) -39 58 -89 250 184 327 1535 0 -39 100 660 5530 -273,15 Escala Fahrenheit ( °F) -38,2 136 -128 482 363 620 2795 32 -38,2 212 1220 10000 -459,67 Escala Kelvin (K) 243 331 184 523 257 600 1808 273,15 234 373,15 933 5800 0

Exemplos:

1) Num determinado dia, em São Paulo, a temperatura ambiente foi igual à de Londres. Sabendo que, nesse dia, a temperatura de Londres foi 50ºF, a temperatura de São Paulo foi: a) 10ºC.

tc /5 = tf - 32 /9

b) 20ºC.

Tc/5 = (50 – 32)/9

c) 25ºC.

Tc/5 = 18/9

d) 28ºC.

Tc= 2x5

e) 32ºC.

Tc = 10ºC

2) À pressão de 1 atm, as temperaturas de ebulição da água e fusão do gelo na escala Fahrenheit são, respectivamente, 212ºF e 32ºF. A temperatura de um líquido que está a 50ºC à pressão de 1 atm é, em ºF: a) 162.

tc/5 = (tf-32) / 9

b) 90.

50/5 = (tf – 32) / 9

c) 106.

10 x 9 = (tf – 32)

d) 82.

90 + 32 = tf

e) 122.

tf = 122ºF

3) Para medir a temperatura de um certo corpo, utilizou-se um termômetro graduado na escala Fahrenheit e o valor obtido correspondeu a 4/5 da de um indicação termômetro graduado na escala Celsius, para o mesmo estado térmico.

Se a escala adotada tivesse sido a Kelvin, esta temperatura seria indicada por: a) 305 K.

d) 32 K.

b) 273 K.

e) 25,6 K.

c) 241 K.

Tc/5 = (tf – 32 ) / 9 Tc/5 = (4tc/5 – 32)/9 9tc = 4tc - 160 5tc = 160 Tc = 32ºC K = 305K

Solução

CALORIMETRIA

Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual.

Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a energia é o que chamamos transferência de

calor

.

Calor:

é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes.

A unidade mais utilizada para o calor

caloria

é (cal), embora sua unidade no SI seja o

joule

quantidade (J). Uma caloria equivale a de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5°C para 15,5 °C.

A relação entre a caloria e o joule é dada por:

1 cal = 4,186J

Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples.

Como 1 caloria é uma unidade pequena, utilizamos muito o seu múltiplo, a

quilocaloria.

1 kcal = 10³cal

Calor sensível

É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo.

Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como

Equação Fundamental da Calorimetria

, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico.

Assim: Onde: Q = quantidade de calor sensível (cal ou J).

c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g °C ou J/kg°C).

m = massa do corpo (g ou kg).

Δθ = variação de temperatura (°C).

É interessante conhecer alguns valores de calores específicos:

Substância

Alumínio Água Álcool Cobre Chumbo Estanho Ferro Gelo Mercúrio Ouro Prata Vapor d'água Zinco

c (cal/g °C)

0,219 1,000 0,590 0,093 0,031 0,055 0,119 0,550 0,033 0,031 0,056 0,480 0,093

Exemplo:

1) Qual a quantidade de calor sensível necessária para aquecer uma barra de ferro de 2kg de 20 °C para 200°C? Dado: calor específico do ferro = 0,119cal/g°C.

Solução:

Calor latente

Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos corpos.

Em alguns casos estado há mudança de físico destes corpos. Neste caso, chamamos a quantidade de calor calculada de calor latente.

A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L).

Assim:

A constante de proporcionalidade chamada calor latente de é mudança de fase e se refere a quantidade de calor que 1g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para outra.

Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico.

Por exemplo, para a água: Calor latente de fusão Calor latente de vaporização Calor latente de solidificação Calor latente de condensação 80cal/g 540cal/g -80cal/g -540cal/g

Quando:

Q>0

: o corpo funde ou vaporiza.

Q<0

: o corpo solidifica ou condensa.

Exemplo: Qual a quantidade de calor necessária para que um litro de água vaporize? Dado: densidade da água=1g/cm³ e calor latente de vaporização da água=540cal/g.

Solução

Curva de aquecimento

Ao estudarmos os valores de calor latente, observamos que estes não dependem da variação de temperatura.

Assim podemos elaborar um gráfico de temperatura em função da quantidade de calor absorvida.

Chamamos este

Aquecimento

: gráfico de

Curva de

Trocas de calor

Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão, este é realizado dentro de um aparelho chamado calorímetro, que consiste em um recipiente fechado incapaz de trocar calor com o ambiente e com seu interior.

Dentro de um calorímetro, os corpos colocados trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. Como os corpos não trocam calor com o calorímetro e nem com o meio em que se encontram, toda a energia térmica passa de um corpo ao outro.

Como, ao absorver calor Q>0 e ao transmitir calor Q<0, a soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja:

ΣQ=0

(lê-se que somatório quantidades de calor de todas é igual a zero) as Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente.

Exemplo: Qual a temperatura de uma bloco de equilíbrio entre alumínio de 200g à 20°C mergulhado em um litro de água à 80°C?

Dados calor específico: água=1cal/g°C e alumínio = 0,219cal/g°C.

Capacidade térmica

É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade.

por: Então, pode-se expressar esta relação

Sua unidade usual é

cal/ °C

.

de A capacidade

1cal/ °C

térmica de 1g de água é já que seu calor específico é 1cal/g.

°C.

Transmissão de Calor

Em certas situações, mesmo não havendo o contato físico entre os corpos, é possível sentir que algo está mais quente. Como quando chega-se perto do fogo de uma lareira. Assim, concluímos que de alguma forma o calor emana desses corpos "mais quentes" podendo se propagar de diversas maneiras.

Como

de calor

já vimos anteriormente, o

fluxo

acontece no sentido da maior para a menor temperatura.

Este trânsito de energia térmica pode acontecer pelas seguintes maneiras: condução; convecção; irradiação.

Fluxo de Calor

Para que um corpo seja aquecido, normalmente, usa-se uma fonte de térmica potência constante, ou seja, uma fonte capaz de fornecer uma quantidade de calor por unidade de tempo.

Definimos

fluxo de calor ( Φ)

que a fonte fornece de maneira constante como o quociente entre a quantidade de calor (

Q

) e o intervalo de tempo de (

Δt

): exposição

Sendo a unidade adotada para fluxo de calor, no sistema internacional, o

Watt (W)

, que corresponde segundo, embora a Joule por também sejam muito usada a unidade e seus múltiplos:

caloria/segundo (cal/s) caloria/minuto (cal/min)

e

quilocaloria/segundo (kcal/s)

.

Exemplo:

Uma fonte de a 100W potência constante igual é utilizada para aumentar a temperatura 100g Sendo o calor de mercúrio 30°C.

específico do mercúrio 0,033cal/g.

°C e 1cal=4,186J, quanto tempo a fonte demora para realizar este aquecimento?

Solução:

Aplicando a equação do fluxo de calor:

Condução Térmica

É a situação em que o calor se propaga através de um "condutor". Ou seja, apesar de não estar em contato direto com a fonte de calor um corpo pode ser modificar sua energia houver térmica se condução de calor por outro corpo, ou por outra parte do mesmo corpo.

Por exemplo, enquanto cozinha-se algo, se deixarmos uma colher encostada na panela, que está sobre o fogo, depois de um tempo ela esquentará também.

Este fenômeno acontece, pois, ao aquecermos a panela, suas moléculas começam a agitar-se mais, como a panela está em contato com a colher, as moléculas em agitação maior provocam uma agitação nas moléculas da colher, causando aumento de sua térmica, logo, o aquecimento dela.

energia

Convecção Térmica

A convecção consiste no movimento dos fluidos, e é o princípio fundamental da compreensão do vento, por exemplo.

O ar que está nas planícies é aquecido pelo sol e pelo solo, assim ficando mais leve e subindo.

Então as massas de ar que estão nas montanhas, e que está mais frio que o das planícies, toma o lugar vago pelo ar aquecido, e a massa aquecida se desloca até os lugares mais altos, onde resfriam.

Estes movimentos causam, entre outros fenômenos naturais, o vento.

Formalmente,

convecção

é o fenômeno no qual o calor se propaga por meio do movimento de massas fluidas de densidades diferentes.

Exemplos

1) Com base na propagação de calor, explique por que, para gelar o chope de um barril, é mais eficiente colocar gelo na parte superior do que colocar o barril sobre uma pedra de gelo.

Irradiação Térmica

É a propagação de energia térmica que não necessita de um meio material para acontecer, pois o calor se propaga através de ondas eletromagnéticas.

Imagine um forno microondas.

Este aparelho aquece os alimentos sem haver contato com eles, e ao contrário do forno à gás, não é necessário que ele aqueça o ar.

Enquanto o alimento uma é aquecido há emissão de microondas que fazem sua energia térmica aumentar, aumentando a temperatura.

Exercícios

1) A tabela abaixo apresenta a massa objetos de metal, específicos sensíveis

c

com .

seus

m

respectivos

c(cal/gºC) m(g) METAL Alumínio Ferro Cobre Prata Chumbo 0,217 0,113 0,093 0,056 0,031 100 200 300 400 500

de cinco calores a) Alumínio b) ferro c) chumbo d) prata e) cobre

2) Um bloco de cobre (c = 0,094 1,2kg cal/gºC) de é colocado num forno até atingir o equilíbrio térmico. Nessa situação, o bloco recebeu 12 972 cal. A variação da temperatura Fahrenheit, é de: sofrida, na escala a) 60 ºF b) 115ºF c) 207ºF

d) 239 ºF

e) 347 ºF

3) Quando misturamos 1,0kg de água (calor específico água de sensível = 1,0cal/g °C) a 70° com 2,0kg de água a 10 °C, obtemos 3,0kg de água a: a) 10 °C b) 20°C

c) 30 °C

d) 40 °C e) 50°C

4) Um corpo de 400g e calor específico sensível de 0,20cal/g °C, a uma temperatura de 10 °C, é colocado em contato e calor térmico com outro corpo de 200g específico sensível de 0,10cal/g°C, a uma temperatura de 60 °C.

A temperatura final, uma vez estabelecido o equilíbrio térmico entre os dois corpos, será de: a) 14 °C b) 15°C

c) 20 °C

d) 30 °C e) 40°C

6) Num calorímetro contendo 200g de água a 20 °C coloca-se uma amostra de 50g de um metal a 125 °C. Verifica-se que a temperatura de equilíbrio é de 25°C.

Desprezando o calor absorvido pelo calorímetro, o calor específico sensível desse metal, em cal/g°C, vale: a) 0,10

b) 0,20

c) 0,50 d) 0,80 e) 1,0

7) Uma escala termométrica E adota os valores –10ºE para o ponto de gelo e 240 ºE para o ponto de vapor. Qual a indicação que na escala E corresponde a 30 ºC?

8) O quíntuplo de uma certa indicação de temperatura registrada num termômetro graduado na escala Celsius excede em 6 unidades o dobro da correspondente indicação na escala Fahrenheit. Esta temperatura, medida na escala Kelvin, é de: a) 50K b) 223K c) 273K d) 300K

e) 323K

9) Uma panela com num água está sendo aquecida fogão. O calor das chamas se transmite através da parede do fundo da panela para a água que está em contato com essa parede e daí para o restante da água. Na ordem desta descrição, o calor se transmitiu predominantemente por: a) radiação e convecção b) b) radiação e condução c)

d)

convecção e radiação

condução e convecção

e) condução e radiação

10) A transmissão de calor por

convecção

só é possível: a) no vácuo b) nos sólidos c) nos líquidos d) nos gases

e) nos fluidos em geral.

11) Num dia quente você estaciona o carro num trecho descoberto e sob um sol causticante. Sai e fecha todos os vidros. Quando volta, nota que "o carro parece um forno". Esse fato se dá porque: a) o vidro calor; é transparente à luz solar e opaco ao b) o vidro é transparente apenas às radiações infravermelhas; c) o vidro d) o vidro é transparente e deixa a luz entrar; não deixa a luz de dentro brilhar fora; e) n.d.a.

FIM