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escalas termométricas

1. Área - Física Ensino Médio, 2ª Série Escalas termométricas

2. TERMOLOGIA é a parte da Física que estuda os fenômenos relacionados com o calor e a temperatura . FÍSICA, 2ª Série Escalas Termométricas Imagem: Gérald Tapp /  Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported Imagem: Fir0002, flagstaffotos.com.au / GNU Free Documentation License / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire02.jpg

3. Calor e Temperatura Temperatura : é uma grandeza física, que mensura a  energia cinética  média de cada  grau de liberdade  de cada uma das partículas de um sistema em  equilíbrio térmico . Esta definição é análoga a afirmar que a temperatura mensura a energia cinética média por grau de liberdade de cada partícula do sistema, uma vez consideradas todas as partículas de um sistema em equilíbrio térmico em um certo instante. A rigor, a temperatura é definida apenas para sistemas em  equilíbrio térmico . ( wikipédia ) Calor : é a energia térmica que flui de um corpo de maior temperatura para um de menor temperatura. Imagem: Greg L / GNU Free Documentation License Imagem: SEE-PE

4. As partículas constituintes dos corpos estão em contínuo movimento. Entende-se temperatura, como sendo uma grandeza que mede a maior ou menor intensidade dessa agitação térmica . A quantidade que informa quão quente ou frio é um objeto em relação a algum padrão é chamada de temperatura (1) . Maior temperatura Menor temperatura Imagens: SEE-PE

5. Se os corpos estiverem a temperaturas diferentes, a energia pode ser trocada entre eles (2) . No equilíbrio térmico os corpos em contato térmico deixam de trocar energia. Frequentemente associamos o conceito de temperatura com o grau de quente ou de frio de um corpo que tocamos . A nossa pele é sensível à taxa de transferência de energia e não à temperatura do corpo . Imagem: SEE-PE

6. Lei Zero da Termodinâmica "Se dois corpos estão em equilíbrio térmico  com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si." (3) Imagem: SEE-PE

7. Termometria Termômetro – Um dispositivo calibrado para medir a temperatura do corpo. É a partir da termologia que se estudam os processos de medição da temperatura de um corpo. Imagem: Zwager / Public Domain

8. COMO MEDIR A TEMPERATURA Algumas das propriedades físicas que mudam com a temperatura e que são usadas nos termômetros: o volume de um líquido; o comprimento de um sólido; a pressão de um gás mantido a volume constante; o volume de um gás mantido a pressão constante; a resistência eléctrica de um condutor; a cor de um corpo quente. Imagem: Geof from de.wikipedia.org / GNU Free Documentation License Termômetro Instrumento destinado a medir a temperatura dos corpos; A medida da temperatura é feita de forma indireta; Grandezas e substâncias termométricas;

9. TIPOS DE TERMÔMETROS Podem ser: de mercúrio, a álcool, clínico, Six e Bellani, de resistência elétrica, bimetálico, de pressão de gás, laser e infravermelho. Imagem superior à esquerda: Menchi / GNU Free Documentation License. Inferior à esquerda: Biol / Public Domain. E acima:   Optris / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

10. Escalas Termométricas - GRADUAÇÃO

11. Escalas Termométricas Escala Celsius A   Escala Celsius   constru í da em 1742, pelo f í sico e astrônomo sueco Anders Celsius, que adotou para o ponto de fusão de gelo o valor 0 (zero) e para o ponto de ebuli ç ão da á gua o valor 100 (cem). Dividiu-se o intervalo obtido entre os pontos fixos em cem partes iguais, em que cada parte corresponde a uma unidade da escala e foi denominada de   grau Celsius , cujo s í mbolo é o °C. Como o intervalo entre os pontos fixos dessa escala foi dividido em cem partes iguais, ela recebeu o nome de    centesimal   e, atualmente, a   E scala Celsius  é a mais utilizada em todo o mundo (4) . Imagem: Olof Arenius / Astronomical observatory of Uppsala University / Public Domain. Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain

12. Escala Fahrenheit A  Escala Fahrenheit  foi construída, em 1727, pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit, que adotou o valor 0 (zero) para a mistura: água, gelo picado e sal; e o valor 100 para a temperatura do corpo humano. Dividiu-se o intervalo entre esses pontos fixos em 100 partes iguais e cada parte recebeu o nome de  grau Fahrenheit , cujo símbolo é °F . Ao compararmos os pontos fixos escolhidos por Fahrenheit e Celsius, temos para o ponto de fusão do gelo, sob pressão de 1 atmosfera, o valor 32 °F e para o ponto de vapor da água, também sob pressão de 1 atmosfera, o valor 212 °F; o intervalo dividido em 100 partes iguais pelo sueco (Celsius) é dividido em 180 partes iguais Fahrenheit (5) . Esta escala foi utilizada principalmente pelos  países  que foram colonizados pelos  britânicos , mas seu uso atualmente se restringe a poucos países de  língua inglesa , como os Estados Unidos e Belize. Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain

13. Daniel Gabriel Fahrenheit, polonês e muito rico, viveu de 1686 a 1736. Inspirou-se, para construir a sua escala termométrica, no grande físico dinamarquês Olaus Roemer , que foi a primeira pessoa a medir a velocidade da luz. Roemer construía termômetros, e Fahrenheit, que nessa época vivia em Copenhagen, costumava visitá-lo para aprender a fazer termômetros também. Roemer usava como temperaturas a solução em equilíbrio de água e gelo, e a temperatura do corpo humano (6) . Qual a proporção de água para sal, usada por Fahrenheit na sua experiência em que desenvolveu a escala de mesmo nome? Imagem: Autor Desconhecido, 1735 / Horrebows Basis Astronomiæ / United States Public Domain Olaus Roemer trabalhando em seu laboratório.

14. Quando começou a construir os seus termômetros, Fahrenheit procedia assim: colocava os termômetros (vários deles) em mistura de água com gelo e marcava neles o valor 30; a seguir, colocava - os (um a um, é claro) na axila "de uma pessoa com saúde" e marcava 90. A esta altura, os termômetros já estavam calibrados. Para testar a calibração, colocava-os depois em uma mistura de água, gelo e sal do mar, ou de água, gelo e sal de amônia, e exigia que todos marcassem a mesma temperatura. Essa mistura era feita na hora, sem proporções especificadas, pois servia só para verificar se todos marcavam a mesma temperatura. Isto está relatado no seu trabalho, publicado nas Philosophical Transactions of the Royal Society of London, volume 33, página 78, de 1724. Portanto, ele não diz em lugar nenhum quais as proporções da mistura, e provavelmente ele mesmo não sabia, e nem era necessário, para o fim a que se destinava. Mais tarde, a temperatura da mistura água-gelo passou a ser chamada de 32, e a do corpo humano de 96. Esta última, é claro, não se usa mais: usa-se, como você sabe, a temperatura de ebulição da água a uma pressão bem estabelecida (7) . Imagem:  Autor Desconhecido / United States public domain Assinatura: Daniel Gabriel Fahrenheit / United States Public Domain

15. Em 1724, época em que muitos cientistas criavam seus próprios termômetros e seus valores, as vantagens da utilização do grau Fahrenheit eram muito mais perceptíveis, tanto para uso da ciência local, quanto para o uso no dia a dia . Atualmente, as vantagens dessa medição, tanto para a ciência, quanto para o dia a dia parecem pouco úteis, devido ao avanço da ciência (8) .

16. Em países de clima frio, as temperaturas assumem, quase sempre, valores positivos na escala Fahrenheit, o que não é acompanhado pela graduação em Celsius. O zero Fahrenheit é -17,78 °C, portanto, poucas serão as situações em que serão apresentados valores negativos na previsão do tempo, o que facilita a compreensão de temperatura pelos habitantes de países de clima frio, principalmente para cálculos de amplitude térmica pelos mais humildes. (Exemplo: uma cidade com temperatura abaixo do ponto de fusão da água somente durante a noite ) (9) . VANTAGENS Imagem: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain

17. O fato de existir uma maior quantidade de números em um mesmo intervalo, quando comparados Fahrenheit e Celsius (1,8 pra 1) faz com que todos os arredondamentos para valores inteiros se mostrem muito mais próximos do valor real. Entretanto, críticos sugerem que, mesmo a diferença de 1 grau na escala Celsius (para a temperatura da cidade) é uma variação muito pequena para ser atribuída uma vantagem a esta característica. Antigamente, na época da criação do sistema, esta era uma vantagem válida para medições meteorológicas que deviam ser as mais acuradas possíveis, principalmente para estudos físicos e registros históricos (10) . VANTAGENS

18. Em Celsius, a definição da passagem de estado febril para febre que precisa da utilização de medicamentos está entre os valores 37 e 38 °C. Em Fahrenheit, acostumou-se a tratar pacientes com medicamentos, quando a febre destes chega a valores de 3 dígitos (100 °F = 37,78 °C). É usual encontrar, nos países que utilizam a medida, enfermeiras falando: "A temperatura já atingiu três dígitos, vamos dar uma medicação". Numa época pré-industrial e antes do aperfeiçoamento do setor de saúde, esta foi uma valiosa informação para enfermeiros e médicos, fato que parece perder a importância com o passar do tempo (11) . VANTAGENS

19. Escala kelvin O Termômetro de Gás O comportamento observado nesse dispositivo é a variação da pressão com a temperatura de um volume fixo de gás. Foi calibrado utilizando-se os pontos de fusão do gelo e de ebulição da água. O reservatório B de mercúrio é levantado ou abaixado até que o volume do gás confinado esteja em algum valor, indicado pelo ponto zero da régua (12) . A altura h (a diferença entre os níveis do reservatório e da coluna A) indica a pressão no frasco, de acordo com a equação: Imagem:   Autor Desconhecido / United States public domain Imagem: Kuroisam / Public Domain

20. Se quisermos medir a temperatura de uma substância, colocamos o frasco de gás em contato térmico com a substância e ajustamos a coluna de mercúrio até que o nível na coluna A retorne a zero. A altura da coluna nos informa a pressão do gás e podemos, então, encontrar a temperatura da substância, a partir da curva de calibração (13) . Curva de calibração Imagem: Kuroisam / Public Domain Imagem: SEE-PE

21. Experimentos mostram que as leituras do termômetro são quase independentes do tipo de gás utilizado, para que a pressão do gás seja baixa e a temperatura bem acima do ponto no qual o gás se liquefaz. A figura mostra a curva de calibração para três gases diferentes. Observamos que se estendermos as retas rumo às temperaturas negativas, para P= 0, a temperatura é de –273,15  C para as três retas. Tal temperatura deve representar um limite inferior para os processos físicos, porque a pressão mais baixa possível é P= 0 (seria um vácuo perfeito). Isso sugere que essa temperatura em particular tem importância universal, pois não depende da substância usada no termômetro. Definimos a temperatura de –273,15  C como sendo o zero absoluto (14) . Imagem: SEE-PE

22. 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-se, então, que isso aconteceria se transformássemos o gás até – 273°C (15) . RELAÇÃO VOLUME - TEMPERATURA DE UM GÁS A PRESSÃO CONSTANTE. ZERO ABSOLUTO

23. 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 (16) . Imagem: Celsius_kelvin_estandar_1954.png: Homo logos / Modificações feitas por Kismalac / GNU Free Documentation License.

24. Posteriormente, descobriu-se ser 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. O zero absoluto é obtido por extrapolação e não deve ser interpretado como o estado em que as partículas estariam em completo repouso, pois elas possuem uma energia mínima finita e apresentam movimento (17) .

25. CONVERSÃO ENTRE AS ESCALAS Imagens: SEE-PE

26. É um termômetro de mercúrio adaptado para funcionar no intervalo de temperaturas de 35°C a 44°C. Normalmente, é utilizado na determinação da temperatura do corpo humano e de outros seres vivos. Como é construído com a finalidade básica de indicar a temperatura mais elevada por ele atingida, quando em contato com o corpo humano, o termômetro clínico é considerado um termômetro de máxima. Para que esse objetivo seja alcançado, há um estrangulamento do tubo capilar na região que o liga ao bulbo, evitando, assim, o refluxo de mercúrio após ter atingido a temperatura máxima. Para desfazer o efeito do estrangulamento, é suficiente sacudir o termômetro com movimentos rápidos, pois a inércia do mercúrio leva-o de volta ao bulbo. O termômetro clínico deve ter pequenas dimensões, a fim de atingir o equilíbrio térmico com o corpo humano rapidamente, e sua escala deve ser fracionada para que seja sensível à pequenas variações de temperatura. Na prática, o termômetro clínico apresenta tubo capilar de alguns milímetros de diâmetro e comprimento de dez centímetros aproximadamente (18) . TERMÔMETRO CLÍNICO Imagem: Zwager / Public Domain

27. O termômetro clínico, quando usado em mais de um paciente, pode funcionar como veículo de contaminação microbiana. Assim, após cada tomada de temperatura, ele deve ser esterilizado. Mas, devido ao pequeno intervalo de temperaturas (35°C a 44°C) em que ele trabalha, essa esterilização não pode ser feita através de processos que utilizam temperaturas elevadas. O álcool é, portanto, o antisséptico recomendado. Os termômetros de mercúrio são muito utilizados na prática, pois: - o mercúrio é facilmente obtido em elevado grau de pureza; - o mercúrio apresenta dilatação térmica regular e muito superior à do vidro; - sob pressão normal, o mercúrio é líquido num intervalo de temperaturas bastante extenso (entre 39°C e 359°C), o que abrange os fenômenos térmicos mais frequentes ; - o mercúrio não adere ao vidro e não reage com ele; - os termômetros de mercúrio são de fácil construção e cômodos no manuseio (19) .

28. A escala  Réaumur  é uma escala de  temperatura  concebida em  1731  pelo  físico  e inventor  francês   René-Antoine Ferchault de Réaumur  ( 1683 - 1757 ), cujos pontos fixos são o  ponto de congelamento  da  água  (zero) e seu  ponto de ebulição  (80 graus). Inventou um termômetro a álcool e apresentou uma escala termométrica para esses tipos de termômetros (1730), que fez muito sucesso na Europa Ocidental. Assim, a unidade desta escala, o grau Réaumur , vale 4/5 de 1 grau  Celsius  e tem o mesmo zero que o grau Celsius. Seu símbolo é  °R . OUTRAS ESCALAS – EM DESUSO ESCALA RÉAUMUR Imagem:   J. Pizzetta / United States public domain Imagem: Green Lane / GNU Free Documentation License

29. ESCALA RANKINE Escala Termométrica inventada por William John Macqorn Rankine (1820 - 1872), físico escocês que atribuiu o valor zero ao zero absoluto e utilizou o grau Fahrenheit como unidade de variação (20) . Imagem:  United States public domain Imagem: SEE-PE

30. Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso         3b, 4, 5, 6, 20a, 21, 25, 29b SEE-PE Acervo SEE-PE 23/02/2012 2a Fir0002, flagstaffotos.com.au / GNU Free Documentation License / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire02.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire02.jpg 09/02/2012 2b Gérald Tapp / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Icebergs.jpg 09/02/2012 3a Greg L / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermally_Agitated_Molecule.gif 09/02/2012 7 e 26 Zwager / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kwikthermometers.jpg 09/02/2012 8 Geof from de.wikipedia.org / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermometer4x_75percent_15.389.jpg 09/02/2012 9a Menchi / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Clinical_thermometer_38.7.JPG 09/02/2012 9b Biol / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Koortsthermometers-AFEC-0120-Lot240901%2BHartmann-0123-Lot3499.jpg 09/02/2012 9c  Optris / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported http://commons.wikimedia.org/wiki/File:OptrisCT.jpg 09/02/2012 Tabela de Imagens

31. Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso         11a Olof Arenius / Astronomical observatory of Uppsala University / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Anders-Celsius-Head.jpg 10/02/2012 11b Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermometer_(PSF)_de.svg 10/02/2012 12 Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermometer_(PSF)_de.svg 10/02/2012 13 Autor Desconhecido, 1735 / Horrebows Basis Astronomiæ / United States Public Domain http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ole_R%C3%B8mer_at_work.jpg 10/02/2012 14a Autor Desconhecido / United States public domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fahrenheit_small.jpg 10/02/2012 14b Daniel Gabriel Fahrenheit / United States Public Domain http://en.wikipedia.org/wiki/File:Daniel_Gabriel_Fahrenheit_Signature.svg 10/02/2012 16 Pearson Scott Foresman / Wikimedia Foundation /Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermometer_(PSF)_de.svg 10/02/2012 19a Autor Desconhecido / United States public domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lord_Kelvin_photograph.jpg 10/02/2012 Tabela de Imagens

32. Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso         19b Kuroisam / Public Domain Kuroisam / Public Domain 10/02/2012 20b Kuroisam / Public Domain Kuroisam / Public Domain 10/02/2012 23 Celsius_kelvin_estandar_1954.png: Homo logos / Modificações feitas por Kismalac / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CelsiusKelvin.svg 10/02/2012 28a J. Pizzetta / United States Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reaumur_1683-1757.jpg 10/02/2012 28b Green Lane / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Old_R%C3%A9aumur_scale_thermometer_-_IMG_0983.JPG 10/02/2012 29a Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:W_J_M_Rankine.JPG 10/02/2012 Tabela de Imagens