TEMPERATURA O que temperatura Quando tocamos um corpo

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, iríamos verificar que naquele que 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 gás contido num 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 0 o C), e que a temperatura de ebulição da água, também ao nível do mar, fosse fixada em 100 graus (100 o C, valor igualmente 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 0 o C), e, após alguns minutos, quando o mercúrio parar de descer, por entrar em equilíbrio térmico com a mistura água-gelo, faz-se uma marca para 0 o C.

Em seguida, coloca-se o tubo em água fervente (que na escala Celsius está a 100 graus) e faz-se uma marca para 100 o 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 Na escala Fahrenheit, ainda em uso nos países de língua inglesa, ao 0 e ao 100 da escala Celsius correspondem respectivamente os números 32 e 212. Assim, entre a temperatura de fusão do gelo e da ebulição da água, estão compreendidos 180º 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 do gelo corresponde a 273 K e a de 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 na haste de cada termômetro

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 na haste de cada termômetro. tc /5 = tf - 32 /9 t. C = temperatura Celcius t. F = temperatura Fahrenheit

Relação entre as escalas Celsius e Kelvin t. C = t. K – 273 t. C = temperatura Celcius t. K = temperatura Kelvin

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

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= 2 x 5 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 indicação de um 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.

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

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 transferência de energia é o que chamamos calor.

Calor: é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes. A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J). Uma caloria equivale a quantidade 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, 186 J 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 c (cal/g°C) Alumínio 0, 219 Água 1, 000 Álcool 0, 590 Cobre 0, 093 Chumbo 0, 031 Estanho 0, 055 Ferro 0, 119 Gelo 0, 550 Mercúrio 0, 033 Ouro 0, 031 Prata 0, 056 Vapor d'água 0, 480 Zinco 0, 093

Exemplo: 1) Qual a quantidade de calor sensível necessária para aquecer uma barra de ferro de 2 kg de 20°C para 200°C? Dado: calor específico do ferro = 0, 119 cal/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 há mudança de estado 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 é chamada calor latente de mudança de fase e se refere a quantidade de calor que 1 g 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 80 cal/g Calor latente de vaporização 540 cal/g Calor latente de solidificação -80 cal/g Calor latente de condensação -540 cal/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=1 g/cm³ e calor latente de vaporização da água=540 cal/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 gráfico de Curva de Aquecimento:

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 de todas quantidades de calor é igual a zero) Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente. as

Exemplo: Qual a temperatura de equilíbrio entre uma bloco de alumínio de 200 g à 20°C mergulhado em um litro de água à 80°C? Dados calor específico: água=1 cal/g°C e alumínio = 0, 219 cal/g°C.

Capacidade térmica É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade. Então, pode-se expressar esta relação por:

Sua unidade usual é cal/°C. A capacidade térmica de 1 g de água é de 1 cal/°C já que seu calor específico é 1 cal/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 já vimos anteriormente, o fluxo de calor 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 térmica de 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 exposição (Δt):

Sendo a unidade adotada para fluxo de calor, no sistema internacional, o Watt (W), que corresponde a Joule por segundo, embora também sejam muito usada a unidade caloria/segundo (cal/s) e seus múltiplos: caloria/minuto (cal/min) e quilocaloria/segundo (kcal/s).

Exemplo: Uma fonte de potência constante igual a 100 W é utilizada para aumentar a temperatura 100 g de mercúrio 30°C. Sendo o calor específico do mercúrio 0, 033 cal/g. °C e 1 cal=4, 186 J, 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 térmica se houver 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 energia térmica, logo, o aquecimento dela.

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

Exercícios 1) A tabela abaixo apresenta a massa m de cinco objetos de metal, com seus respectivos calores específicos sensíveis c. c(cal/gºC) m(g) Alumínio 0, 217 100 Ferro 0, 113 200 Cobre 0, 093 300 Prata 0, 056 400 Chumbo 0, 031 500 METAL a) Alumínio b) ferro c) chumbo d) prata e) cobre

2) Um bloco de cobre (c = 0, 094 cal/gºC) de 1, 2 kg é colocado num forno até atingir o equilíbrio térmico. Nessa situação, o bloco recebeu 12 972 cal. A variação da temperatura sofrida, na escala Fahrenheit, é de: a) 60ºF b) 115ºF c) 207ºF d) 239ºF e) 347ºF

3) Quando misturamos 1, 0 kg de água (calor específico sensível = 1, 0 cal/g°C) a 70° com 2, 0 kg de água a 10°C, obtemos 3, 0 kg de água a: a) 10°C b) 20°C c) 30°C d) 40°C e) 50°C

4) Um corpo de 400 g e calor específico sensível de 0, 20 cal/g°C, a uma temperatura de 10°C, é colocado em contato térmico com outro corpo de 200 g e calor específico sensível de 0, 10 cal/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 200 g de água a 20°C coloca-se uma amostra de 50 g 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 240ºE para o ponto de vapor. Qual a indicação que na escala E corresponde a 30ºC?

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) 50 K b) 223 K c) 273 K d) 300 K e) 323 K

9) Uma panela com água está sendo aquecida num 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) convecção e radiação d) 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 é transparente à luz solar e opaco ao calor; b) o vidro é transparente apenas às radiações infravermelhas; c) o vidro é transparente e deixa a luz entrar; d) o vidro não deixa a luz de dentro brilhar fora; e) n. d. a.

FIM