Termometria

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Atualmente, é muito comum convivermos com diversos fenômenos térmicos no nosso cotidiano, como a sensação de um dia estar muito quente ou frio, do calor que uma chama de fogo proporciona e até mesmo o cozimento de alimentos. Todos esses fenômenos possuem relação com a grandeza física chamada temperatura. Com isso, a termometria é o segmento da física que estuda a temperatura e suas formas de medição através de processos indiretos padronizados.

Grandezas microscópicas e macroscópicas

É interessante pontuarmos os conceitos de grandezas microscópicas e macroscópicas com intuito contextualizar a grandeza temperatura. Grandezas macroscópicas são grandezas que podemos perceber com os nossos sentidos, por exemplo, a área de uma sala, o comprimento de algum objeto e a massa de algum animal. Por outro lado, grandezas microscópicas não podem ser medidas diretamente, pois os experimentos e estudos microscópicos abordam aspectos de grandezas muito pequenas, e por isso devem ser medidas de forma indireta.

Temperatura

A temperatura é uma grandeza muito utilizada tanto no nosso cotidiano como na ciência. Ela é uma grandeza microscópica que mede o grau de agitação das partículas de determinado corpo. Quanto maior for o grau de agitação das partículas maior será a temperatura do corpo, consequentemente o inverso se aplica.

Equilíbrio térmico

Se dois corpos em contato estão com o mesmo valor de temperatura dizemos que eles estão em equilíbrio térmico. Isso significa que eles têm o mesmo estado de agitação de suas partículas.

De acordo com o Princípio Zero da Termodinâmica, se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo então esses dois corpos estão em equilíbrio térmico entre si.

Calor

O calor é definido como o fluxo de energia térmica que se transfere de um corpo com maior temperatura para um de menor temperatura e, portanto, esse fluxo energético possui um único sentido. Através da definição podemos concluir que quando dois corpos atingem o equilíbrio térmico não há mais troca calor entre eles.

Fluxo de calor e equilíbrio térmico
Há fluxo de calor do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura até ocorrer o equilíbrio térmico

Equação termométrica

Equação termométrica é a fórmula que representa os valores de temperatura de uma escala. Ou seja, a equação termométrica estabelece uma relação entre estados térmicos e valores numérico, dando origem a uma escala de temperatura.

Para estabelecer uma equação termométrica, é necessário definir dois ou mais pontos fixos equivalentes a estados térmicos muito bem definidos. Um bom exemplo são os pontos fixos fundamentais, definidos pelo sueco Andres Celsius como ponto gelo (PG) e  ponto vapor (PV) da água pura. De acordo com Celsius, o ponto gelo corresponde ao equilíbrio térmico entre a água no estado líquido e no estado sólido (gelo), já o ponto vapor representa a água em equilíbrio térmico no estado gasoso e líquido.

Escalas relativas de temperatura

Através das informações apresentadas podemos notar que é possível definir diversas escalas de temperatura, dependendo dos valores atribuídos a cada ponto fixo adotado. Atualmente duas escalas são muito utilizadas no cotidiano das pessoas no mundo. As duas principais escalas relativas de temperatura são Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF).

Em 1742, Anders Celsius definiu a escala de temperatura Celsius tendo como pontos fixos o ponto gelo (PG) e o ponto vapor (PV) para uma pressão de 1 atm. Através desses dois pontos fixos, Celsius dividiu em 100 partes a diferença entre o ponto gelo e o ponto vapor. O ponto gelo foi definido como 0ºC e o ponto vapor como 100ºC.

Já Daniel G. Fahrenheit, em 1727, definiu a escala de temperatura Fahrenheit através dos seguintes pontos fixos: a temperatura da mistura de água, gelo e sal e a temperatura do corpo humano. Medindo os pontos fixos fundamentais com a escala Fahrenheit obtemos os valores de 32°F para o ponto gelo e 212°F para o ponto vapor.

Relacionando as duas escalas, na escala Celsius o intervalo entre os pontos fundamentais (ponto gelo e ponto vapor) está dividido em 100 frações, e na escala Fahrenheit está dividido em 180 frações.

Comparação entre as escalas Celsius e Fahrenheit
Comparação entre as escalas relativas Celsius e Fahrenheit

Escala absoluta de temperatura (Kelvin)

A escala absoluta de temperatura utilizada no Sistema Internacional é a Kelvin, a qual é fundamentada no zero absoluto como limite inferior. O zero absoluto consiste no estado térmico em que a agitação das moléculas é nula, basicamente não existe vibração molecular. Já o limite superior, a ciência não consegue estimar devido a dificuldade de se mensurar qual é o máximo de energia que as moléculas podem absorver.

Na escala Kelvin não usamos o símbolo ° (grau), mas apenas o K, por ser essa uma escala absoluta de temperatura, que não depende de um ponto de referência arbitrária como as outras escalas.

Relação numérica entre as escalas de temperatura

Celsius e Fahrenheit:

\frac{T_{F}-32}{9}=\frac{T_{C}}{5}

 

Celsius e Kelvin:

T_{C}=T_{K}-273

 

Fahrenheit e Kelvin:

\frac{T_{F}-32}{9}=\frac{T_{K}-273}{5}

 

Relação numérica entre as três escalas:

\frac{T_{F}-32}{9}=\frac{T_{C}}{5}=\frac{T_{K}-273}{5}

 

Relação numérica entre as variações de temperatura nas três escalas:

\frac{\Delta T_{F}}{9}=\frac{\Delta T_{C}}{5}=\frac{\Delta T_{K}}{5}

Comparação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit
Comparação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit

Termoscópio e termômetro

Como forma de aplicar os conceitos abordados de temperatura e de suas respectivas escalas, estudos foram expandidos como intuito de se criar instrumentos para realizar essas análises. Criado por Galilei Galileu em 1592, o termoscópio é um instrumento que avalia qualitativamente a variação de temperatura de uma amostra analisada. Já o termômetro, também inventado por Galileu em 1602, é um instrumento que mede quantitativamente a temperatura de um corpo.

O termoscópio não possui graduação na forma de escala. Ele não determina a temperatura em si mas pode acusar variações de temperatura pelas variações da altura da coluna de água, e pode ser utilizado também para comparar temperaturas.

Termoscópio
O termoscópio não possui graduação na forma de escala.
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