TERMOMETRIA CALORIMETRIA E TERMODIN MICA Aula 1 Maria

TERMOMETRIA, CALORIMETRIA E TERMODIN MICA – Aula 1 Maria Augusta Constante Puget (Magu)

Termometria, Calorimetria e Termodinâmica (1) �A termodinâmica é o estudo das leis que regem a relação entre calor, trabalho e outras formas de energia. 2

Termometria, Calorimetria e Termodinâmica (2) �Calorimetria é a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas quando essas trocas se dão na forma de calor. 3

Termometria, Calorimetria e Termodinâmica (3) �Um dos conceitos principais da termodinâmica é a temperatura. �A termometria é o ramo da física que tem por objetivo o estudo e a medição da temperatura. 4

Temperatura (1) � A palavra temperatura nos é tão familiar que temos a tendência de sermos excessivamente confiantes no que se refere ao seu significado. � Nossa “sensação de temperatura” (proporcionada pelo nosso tato), no entanto, nem sempre é confiável. � Em um dia frio, uma peça de metal parece estar muito mais fria ao toque do que uma peça de madeira, apesar de ambas estarem à mesma temperatura. Por que isso ocorre? 5

Temperatura (2) �A temperatura de um corpo é uma medida do grau de agitação de suas moléculas. �Assim, supondo-se que não haja mudança de fase, quando um corpo recebe energia térmica, suas moléculas passam a se agitar mais intensamente: sua temperatura aumenta. �Ao perder energia, as moléculas do corpo se agitam com menor intensidade: sua temperatura diminui. 6

Temperatura (3) � 7

Temperatura – Unidade (1) �A temperatura é uma das sete grandezas básicas do SI. �Os físicos medem temperaturas na escala kelvin, que é marcada em unidades chamadas kelvins. 8

Temperatura – Unidade (2) �Enquanto unidade do SI, o kelvin não deve ser precedido pelas palavras grau ou graus nem pelo símbolo °, como em grau Celsius ou Fahrenheit. �O símbolo para o kelvin é sempre um K maiúsculo e nunca é escrito em itálico. �Deve haver um espaço entre a grandeza numérica e o símbolo da unidade. �A palavra "kelvin" (nome da unidade) é escrita com inicial minúscula (exceto no princípio das frases), igualmente de acordo com a normas do SI. 9

Kelvin (1) � William Thomson, conhecido também como Lorde Kelvin (Belfast, 26 de junho de 1824 — 17 de dezembro de 1907) foi um físico-matemático e engenheiro nascido na Irlanda. � Considerado um líder nas ciências físicas do século XIX, teve importantes contribuições na análise matemática da eletricidade e termodinâmica. É conhecido por desenvolver a escala Kelvin de temperatura absoluta. � O título de Lorde Kelvin foi dado em homenagem a suas realizações. 10

Temperaturas na Escala Kelvin (1) �A temperatura ambiente é de cerca de 290 K. �No início do universo, há cerca de 10 a 20 bilhões de anos, sua temperatura era de aproximadamente 1039 K. �Com a expansão do Universo, houve um contínuo resfriamento do mesmo e atualmente a sua temperatura média é de cerca de 3 K. 11

Temperaturas na Escala Kelvin (2) Temperaturas absolutas notáveis Interior das estrelas mais quentes 109 K Bomba de hidrogênio 108 K Interior do Sol 107 K Bomba atômica 3. 105 K Superfície do Sol 6. 103 K Filamento de lâmpada incandescente 3. 103 K Chama de fogão 1, 1. 103 K Turbina a vapor 9. 102 K Oxigênio líquido De acordo com o Guiness 2008, a temperatura mais baixa até hoje 90 K conseguida foi de 450. 10 -12 K. Foi obtida por uma equipe do MIT, Superfície do planeta Plutão 45 K liderada por Aaron Leanhardt. Hidrogênio vaporiza-se sob pressão normal 12

O Zero Absoluto (1) �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. 13

O Zero Absoluto (2) �O zero absoluto é a menor temperatura teórica possível. �Mais formalmente, é a temperatura na qual a as energias cinéticas das moléculas (e, portanto, térmica do sistema) valem zero. �Descobriu-se que é impossível atingir o estado de agitação molecular nulo. �As moléculas têm uma energia mínima denominada energia do ponto zero e o zero absoluto é inatingível na prática. 14

Temperatura - Mensurando (1 ) 15

Temperatura - Mensurando ( 2 ) � A medida da temperatura de um objeto ou de um meio é sempre feita indiretamente. � Observa-se que diversas propriedades de vários materiais variam em função de suas temperaturas: ◦ O volume de um líquido aumenta com o aumento de sua temperatura. ◦ O comprimento de uma barra metálica aumenta, com o aumento de sua temperatura. ◦ A resistência elétrica de um fio metálico aumenta, com o aumento de sua temperatura. ◦ A pressão exercida por um gás confinado aumenta, com o aumento de sua temperatura. � Dessa forma, a temperatura T de uma barra pode ser avaliada indiretamente pelo valor assumido pelo seu comprimento L, por exemplo. 16

Temperatura - Mensurando (3) �De modo geral, sendo x uma grandeza conveniente que define uma das propriedades do corpo (como o comprimento L, no caso da barra), a cada valor de x faz-se corresponder um determinado valor T de temperatura. �A grandeza x é denominada grandeza termométrica. �A correspondência entre os valores da grandeza x e da temperatura T constitui a função termométrica. 17

Temperatura - Mensurando (4) � Um dos primeiros dispositivos criados para avaliar temperaturas foi o termoscópio a ar (do grego termon significa temperatura e skopeo significa "ver"), inventado por Galileu, em 1592. � O termoscópio permitia avaliar apenas qualitativamente o aumento ou diminuição da temperatura. � Era um aparelho simples e impreciso, mas foi o predecessor dos atuais termômetros (do grego termon significa temperatura e Galileu Galilei (Pisa, 15 de fevereiro de 1564 — Florença, 8 de janeiro de 16421 ) foi um físico, matemático, astrônomo e filósofo italiano. 18

Grandeza e Equação Termométrica (1) �Consideremos uma grandeza x cujo valor se altera com a mudança do estado térmico. �A cada valor da grandeza x 1, x 2, . . . , xn associamos um número T 1, T 2, . . . , Tn denominado temperatura. �A função x = f(T) que relaciona os valores assumidos pela grandeza termométrica e as temperaturas, é chamada equação ou função 19

Grandeza e Equação Termométrica (2) � Para o estabelecimento de uma equação termométrica devem ser escolhidos pelo menos dois estados térmicos perfeitamente caracterizáveis e reprodutíveis, denominados pontos fixos. Pressupõe-se aqui que a função que relaciona a grandeza termométrica com a temperatura seja linear. � Os dois pontos fixos são tomados, comumente, como sendo: ◦ Ponto de fusão da água (ou ponto de gelo): Estado térmico do gelo fundente, isto é, do gelo em equilíbrio térmico com a água pura, sob pressão atmosférica normal. ◦ Ponto de ebulição da água (ou ponto de vapor): Estado térmico da água em ebulição sob pressão atmosférica normal. 20

Grandeza e Equação Termométrica (3) �A equação termométrica caracterizada, então, por: Ponto Fixo Escolhido Valor da Grandeza Termométrica será Valor da Temperatura Arbitrariamente Escolhido Gelo fundente x 1 T 1 Vapor de água em ebulição x 2 T 2 �Note-se que, para cada par de valores T 1 e T 2 escolhidos, obtém-se uma escala termométrica diferente. 21

�É Grandeza e Equação Termométrica (4) conveniente a escolha de uma equação termométrica linear, pois assim precisamos de apenas dois pontos para estabelecer uma relação entre x e T. x x 2 x 1 T 2 T 22

Escalas Termométricas Usuais: A Escala Celsius (1) �Em praticamente todos os países do mundo, a escala Celsius (antigamente chamada escala centígrada) é a escala que foi escolhida para uso popular e comercial, sendo também utilizada em aplicações científicas. �O grau Celsius (símbolo °C) designa a unidade de temperatura, assim denominada em homenagem a Anders Celsius, que a propôs em 1742. Anders Celsius (Uppsala, 27 de Novembro de 1701 — Uppsala, 25 de Abril de 1744) foi um astrônomo e físico sueco. 23

Escalas Termométricas Usuais: A Escala Celsius (2) �Na escala Celsius o ponto de fusão (congelamento) da água corresponde ao valor 0 e o ponto de ebulição corresponde ao valor 100. �Como existem cem graduações entre esses dois pontos de referência, o termo original para este sistema foi o centígrado (100 partes). �Em 1948, o nome do sistema foi oficialmente modificado para Celsius durante a 9ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CR 64), tanto em reconhecimento a Celsius como para eliminar a confusão causada pelo conflito de uso do prefixos centi do SI. 24

Escalas Termométricas Usuais: A Escala Fahrenheit (1) �O grau Fahrenheit (símbolo °F) é uma escala de temperatura proposta por Daniel Gabriel Fahrenheit. �Nesta escala, o ponto de fusão da água é 32 °F e o ponto de ebulição é 212 °F. �Uma diferença de 1, 8 grau Fahrenheit equivale à 1 grau Celsius. �Esta escala foi utilizada principalmente pelos países colonizados pelos britânicos. Seu uso, atualmente, se restringe a poucos países de língua inglesa, Daniel Gabriel Fahrenheit (Danzig, 24 de maio de 1686 — Haia, 16 de setembro de 1736) foi físico, engenheiro e soprador de vidro alemão -polonês. É mais conhecido por ter inventado o termômetro de mercúrio (1714), e pelo desenvolvimento de uma escala de temperatura em sua homenagem. 25

Escalas Termométricas Usuais: A Escala Kelvin (1) �A escala absoluta kelvin adota 273 para o ponto de fusão e 373 para o ponto de vapor (a rigor, 273, 15 e 373, 15, respectivamente). William Thomson, mais conhecido como Lorde Kelvin (Belfast, 26 de junho de 1824 — 17 de dezembro de 1907) foi um físico-matemático e engenheiro britânico, 26 nascido na Irlanda.

As 3 Escalas Mais Conhecidas (1) Celsius Fahrenheit Kelvin Gelo fundente 0 32 273 Vapor de água em ebulição 100 212 373 27

Outras Escalas (1) 28

Mudanças de Escala (1) � Quando a escala Celsius indica 00 C, a Fahrenheit indica 320 F. � Quando a escala Celsius indica 1000 C, a Fahrenheit indica 2120 F. � Então, quando a escala Celsius indicar o valor t. C, a escala Fahrenheit deverá indicar o valor t F. 0 F 212 t. F 32 t. C 100 0 C 29

Mudanças de Escala (2) 30

Tipos de Termômetros (1) � Os termômetros variam e podem ser classificados quanto: 1. À grandeza termométrica utilizada. 2. Ao intervalo de valores de temperaturas que são capazes de medir. � Além disso, existem duas formas de se medir a temperatura de um corpo: 1. Por contato: Baseia-se nos princípios básicos de condução e convecção. Faz-se uso de sensores que entram em contato com o corpo cuja temperatura se pretende conhecer. 2. Por radiometria: Baseia-se na detecção da radiação eletromagnética naturalmente emitida pelo corpo em função de sua temperatura. 31

Tipos de Termômetros (2) Termômetros de Bulbo - Clínico Usado para medir a temperatura de pessoas e animais. Intervalo de temperaturas medidas vai de 35°C a 43°C. � Tubo capilar de vidro, fechado a vácuo, contendo um bulbo com Mercúrio. � Características do Mercúrio, como fluido termométrico: 1. É um metal líquido à temperatura ambiente e tem um valor alto de coeficiente de dilatação, aumentando de volume à menor variação de temperatura. 2. Ponto de fusão (-40°C) e ponto de ebulição (360°C) distantes das temperaturas comuns em condições normais na superfície da Terra. 3. Por ser um líquido opaco e escuro facilita a visibilidade da marcação. 4. Por ser metal é bom condutor térmico, entrando rapidamente em equilíbrio térmico com o corpo cuja temperatura se quer medir. � 32

Tipos de Termômetros (3) Termômetros de Bulbo - a Álcool Semelhante ao clínico, há o termômetro a álcool, normalmente utilizado para verificar a temperatura ambiente. � Características do álcool, como fluido termométrico: 1. Ponto de fusão muito baixo (− 112°C), sendo, por isso, apropriado para ser usado em termômetros que registram temperaturas muito baixas. 2. Ponto de ebulição também baixo (78°C), não sendo, portanto, adequado para se medir altas temperaturas. 3. Pode ser tingido (normalmente se adiciona corante vermelho) podendo, então, ser visto claramente através do vidro. 4. Se expande mais que o mercúrio. 5. É de baixo custo (se comparado ao mercúrio). 6. Oferece menos riscos à saúde (o mercúrio é tóxico). 7. O álcool não é um bom condutor de calor. � 33

Tipos de Termômetros (4) Psicrômetro � � � É um aparelho constituído de dois termômetros de bulbo, idênticos, colocados um ao lado do outro. É utilizado para medir a umidade do ar. A diferença entre os dois termômetros é que um deles trabalha com o bulbo seco e o outro com o bulbo úmido. O termômetro de bulbo úmido tem o bulbo coberto por uma malha porosa (geralmente de algodão), que fica mergulhada num recipiente contendo água destilada. A evaporação da água contida na malha faz com que o termômetro de bulbo úmido indique uma temperatura mais baixa do que a do outro termômetro, o qual indica a temperatura ambiente. Essa evaporação, e consequentemente a redução na temperatura de bulbo úmido, é tanto maior quanto mais seco está o ar atmosférico, e é nula quando a atmosfera está saturada de vapor de água. 34

Tipos de Termômetros (5) Termômetro de Radiação � � � Também denominado pirômetro ótico. Dispositivo que permite que se meça a temperatura sem que haja a necessidade de contato com o corpo ou meio. Se o termômetro tiver que entrar em contato com o corpo cuja temperatura precisa ser medida, ele tem que ser capaz de suportar tal temperatura, o que é um grande problema prático, no caso de temperaturas muito altas. Assim, os termômetros de radiação são muito úteis quando se necessita medir temperaturas superiores a 600°C, como no caso de metais incandescentes em fundições. Basicamente, esse equipamento é constituído por um sistema ótico e um detector. O sistema ótico foca a energia emitida por um objeto sobre o detector. A saída do detector é proporcional a energia irradiada pelo objeto. 35

Tipos de Termômetros (6) Termômetros Eletrônicos � O sensor mais comum é o termistor (semicondutor sensível à temperatura). � O dispositivo muda sua resistência com a alteração da temperatura. Um computador mede a resistência e a converte em temperatura. Existem basicamente dois tipos de termístores: 1. NTC (Negative Temperature Coefficient) – O coeficiente de variação da resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura. 2. PTC (Positive Temperature Coefficient) – O coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o 36

Temperaturas Muito Altas (1) Como se Mede a Temperatura de uma Estrela? � A temperatura superficial de uma estrela está associada à sua cor e uma das maneiras de estimar essa temperatura consiste em “medir” sua cor. � A medida da cor de uma estrela pode ser obtida a partir de três observações telescópicas da estrela através de filtros especiais, que transmitem apenas radiações eletromagnéticas específicas: ◦ Filtro U: Transmite radiação ultravioleta (comprimentos de onda relativamente curtos). ◦ Filtro B: Transmite radiação azul (comprimentos de onda relativamente médios). ◦ Filtro V: Transmite radiação amarela (comprimentos de onda relativamente longos). � Esse procedimento gera o registro de três brilhos aparentes (fluxos) diferentes, designados por FU, FB e FV. 37

Temperaturas Muito Altas (2) Como se Mede a Temperatura de uma Estrela? � A comparação entre as razões dos fluxos obtidos em cada faixa do espectro indica a cor da estrela. � É possível estabelecer uma escala numérica que quantifica a cor das estrelas. Essa grandeza é chamada ÍNDICE DE COR. � Ele é expresso em termos da diferença entre as magnitudes aparentes associadas aos brilhos aparentes registrados através dos filtros B e V. � Obtido o índice de cor, pode-se determinar a temperatura superficial da estrela por meio da “fórmula de Russell”, uma relação empírica desenvolvida pelo astrônomo americano Henry Norris Russell (1877 - 1957), que fornece a temperatura da superfície da estrela, em kelvin. 38

Temperaturas Muito Altas (3) Como se Mede a Temperatura de uma Estrela? � A tabela abaixo fornece alguns índices de cor com suas respectivas cores e temperaturas superficiais médias associadas: I. C. -0, 5 0 0, 6 1, 0 1, 5 T (K) 50 000 11 000 5 800 4 500 3 500 Cor Azul Branca Amarela Alaranjada Vermelha 39

Temperaturas Muito Altas (4) Como se Mede a Temperatura de uma Estrela? 40

Temperaturas Muito Baixas (1) Criogenia � Ramo da físico-química que estuda temperaturas muito baixas (próximas ao 0 absoluto), bem como as técnicas para as produzir e as propriedades específicas dos materiais associadas a estas baixas temperaturas. � Baixas temperaturas podem ser obtidas através do efeito de Joule-Thomsom: Uma vez que um gás se expande adiabaticamente (sem trocas de calor), a distância média entre as moléculas aumenta. Devido às forças atrativas intermoleculares, a expansão produz um aumento na energia potencial do gás. Se nenhum trabalho externo é extraído no processo e nenhum calor é transferido, a energia total do gás permanece a mesma (lei da conservação da energia). O aumento da energia potencial, portanto, implica numa diminuição da energia cinética e, portanto, numa diminuição de temperatura. � Gases como o hidrogênio, oxigênio e hélio podem ser liquefeitos deste modo, alcançando-se temperaturas da ordem dos 0, 3 K, a baixas pressões. 41

Temperaturas Muito Baixas (2) Criogenia � A temperaturas próximas do zero absoluto, algumas substâncias exibem propriedades singulares. Exemplos: ◦ Alguns metais, como o mercúrio e o chumbo, adquirem supercondutividade. ◦ O hélio líquido perde a viscosidade, convertendo-se num superfluído abaixo de 2 K e escoando sem atrito. � A criogenia tem várias aplicações práticas: ◦ A crioterapia é utilizada em cirurgias oculares, em que uma sonda congelada é aplicada momentaneamente na parte exterior do olho para reparar danos na retina. ◦ Os componentes eletrônicos, que poderiam ser utilizados em computadores muito rápidos, necessitam de temperaturas muito baixas para funcionar. ◦ Os sistemas de levitação magnética têm de ser mantidos a baixas temperaturas. ◦ O congelamento de óvulos, esperma e embriões é hoje prática corrente. 42

Temperaturas Muito Baixas (3) Criogenia � Nas Condições Normais de Temperatura e Pressão o hélio é um gás monoatômico, tornando-se líquido somente em condições extremas (de alta pressão e baixa temperatura). � Tem o ponto de solidificação mais baixo de todos os elementos químicos, sendo o único líquido que não pode solidificar-se baixando a temperatura, já que permanece no estado líquido no “zero absoluto” à pressão normal. � O hélio sólido só existe a pressões da ordem de 100 MPa a 15 K (-248, 15 °C). 43