Fisica   002 termometria
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Fisica 002 termometria Document Transcript

  • 1. FÍSICA TERMOMETRIA1. INTRODUÇÃO de números, fazendo corresponder a cada temperatu- ra um número, temos um instrumento chamado ter- Termometria é a parte da Termofísica que tem mômetro (a escala de números é chamada de escalapor meta o estudo e a medição da temperatura, ou se- termométrica). O termômetro mais comum consisteja, ela tem por finalidade associar um número a cada em um capilar de vidro, adaptado a um pequeno bul-estado térmico, de modo a permitir comparações en- bo, também de vidro, contendo o metal mercúrio notre estados térmicos de corpos diferentes. A medida estado líquido. Funciona como grandeza termométri-da temperatura é feita por um processo indireto. ca o comprimento da coluna capilar de mercúrio. Experimentalmente, verificou-se que determi-nadas características dos corpos se alteram quandosua temperatura muda, ou seja, certas grandezas sãoafetadas pela alteração do estado térmico do corpo. Ocomprimento de uma barra, o volume de um líquido,a pressão de um gás, a resistência elétrica de um con- tubo capilardutor variam com a temperatura e, medindo os valo-res destas grandezas, podemos avaliar o estadotérmico do corpo.2. TEMPERATURA coluna de mercúrio h Temperatura é uma grandeza primitiva e, por-tanto, não pode ser definida. Mas a idéia macroscópi-ca sobre temperatura tem origem na sensação que nosdiz se um corpo está frio ou quente. Quando tocamos bulhoum corpo, nossa sensibilidade térmica nos permite Termômetro de mercúrio: a cada tempertura Tfazer uma estimativa grosseira de sua temperatura. corresponde uma altura h.Tal estimativa é proporcionada através do nosso tato,que pode nos levar a situações enganosas de tempera-tura. A seguir, relatamos uma experiência clássica, Graduação do termômetromostrando este tipo de engano: tome três recipientes Na graduação de um termômetro, costuma-secontendo água quente, morna e fria. Mergulhe uma atribuir pontos de referência para as temperaturas,das mãos na água quente e a outra na água fria por que correspondem a estados térmicos bem determi-um determinado tempo. Coloque agora as duas mãos nados e de fácil obtenção na prática: são os chamadosna água morna. A sensação térmica será igual para as pontos fixos. Os dois pontos fixos mais utilizados naduas mãos? Não, a água morna parecerá fria para a construção de escalas de temperatura são: o ponto domão que estava na água quente, e parecerá quente pa- gelo e o ponto do vapor.ra a que estava na água fria. Assim, é evidente que a Ponto do gelosensibilidade à temperatura é muito limitada, não Corresponde à fusão do gelo sob pressão desendo precisa para ser útil em ciência. 1atm. O termômetro é colocado em gelo moído em Em nível microscópico, pode-se dizer que equilíbrio térmico com água (gelo fundente). Observetemperatura é uma grandeza que mede o estado de que o mercúrio desce. Pouco depois ele estaciona.agitação térmica das partículas que constituem um Enquanto durar a fusão de gelo, o mercúrio manterá acorpo. Em um gás, por exemplo, quanto maior a ve- sua posição. Marque a posição do extremo da colunalocidade média de suas moléculas, maior a sua tem- de mercúrio.peratura.3. TERMÔMETRO DE MERCÚRIO A variação do estado térmico de um corpo ésempre acompanhada da variação de algumas de suaspropriedades. Estas são denominadas propriedadestermométricas, e as grandezas com que são medidas,grandezas termométricas. Um sistema que apresentauma propriedade termométrica chama-se termoscó-pio. Ao acrescentarmos a um termoscópio uma escalaEditora Exato 1
  • 2. correspondem a dois pontos da altura h do termôme- tro. O intervalo entre esses dois pontos é dividido em 100 partes. A escala de temperatura Kelvin atribui o valor temperatura zero de temperatura ao zero absoluto, por isso é cha- do primeiro mada de escala absoluta. Naturalmente, percebe-se tg ponto fixo que na escala Kelvin não há leituras negativas. Para converter uma temperatura expressa em graus Celsius para a escala Kelvin, adiciona-se, na prática, 273 ao valor da temperatura. Em países de língua inglesa, como Inglaterra e Estados Unidos, é muito comum o uso da escala Fa- hrenheit. Esta escala foi criada de forma que a tempe- ratura mais baixa ocorrida na Inglaterra, cerca de – 18ºC, correspondesse a 0ºF e a temperatura do corpo humano, cerca de 37ºC, fosse 100ºF. As temperaturas de fusão do gelo e ebulição da água, sob pressão normal, são 32ºF e 212ºF, dividindo o intervalo entre Ponto do vapor estes dois pontos em 180 partes. Abaixo, representa- Corresponde à ebulição da água, sob pres- mos a conversão entre as escalas: são de 1atm. Exponha agora o termômetro aos vapores Celsius Fahrenheit Kelvin d’água em ebulição, tomando o cuidado de não tocar a superfície. Observe que o mercúrio sobe. ponto do vapor 100ºC 212ºF 373K Marque a posição do extremo da coluna de mer- cúrio. TC TF T Temperatura do segundo ∆H V ponto fixo tg h ∆h ponto do gelo 0ºC 32ºF 273K hg h-altura da coluna de mercúrio Tc − 0 T − 32 T − 273 = f = 100 − 0 212 − 32 373 − 273 Tc T − 32 T − 273 = f = 100 180 100 Tc Tf − 32 T − 273 = = 5 9 5 Em particular:4. ESCALAS TERMOMÉTRICAS T = Tc + 273 Há ainda outras escalas, como, por exemplo, a Escalas termométricas são um conjunto de va- escala absoluta Rankine. Ela, por ser uma escala ab-lores numéricos de temperaturas, associados a um de- soluta, só apresenta valores acima de zero e se rela-terminado estado térmico preestabelecido, ciona com a escala Fahrenheit da seguinte forma:denominado ponto fixo da escala. Para a graduação do termômetro de mercúrio, TR = TF + 459,67usamos a escala Celsius, oriunda dos antigos grauscentígrados, que atribuíam os valores 0°C a 100°C às 5. EQUILÍBRIO TÉRMICOtemperaturas de fusão (ponto do gelo) e ebulição(ponto do vapor) da água, sob pressão normal, queEditora Exato 2
  • 3. A experiência mostra que, quando colocamos Os termômetros de mercúrio são muito utiliza-um corpo quente próximo a um corpo frio, este se dos na prática, pois:aquece e o corpo quente se esfria. O processo conti- - O mercúrio é facilmente obtido em elevado grau denua até que, num dado momento, as temperaturas dos pureza.dois corpos se igualam. Neste instante, dizemos queos dois corpos se encontram em equilíbrio térmico. - O mercúrio apresenta dilatação térmica regular eGeneralizando, temos que: muito superior à do vidro. Dois corpos estão em equilíbrio térmico quan- - Sob pressão normal, o mercúrio é líquido num in-do tiverem a mesma temperatura. tervalo de temperaturas bastante extenso (entre 39°C e 359°C), o que abrange os fenômenos tér-6. PRINCÍPIO ZERO DA TERMODINÂMICA micos mais freqüentes. Dois corpos em equilíbrio térmico com um ter- - O mercúrio não adere ao vidro e não reage com ele.ceiro estão em equilíbrio térmico entre si. - Os termômetros de mercúrio são de fácil construção7. LEITURA COMPLEMENTAR e cômodos no manuseio. Termômetro clínico ESTUDO DIRIGIDO É um termômetro de mercúrio adaptado parafuncionar no intervalo de temperaturas de 35°C a 1 Defina temperatura em nível microscópico.44°C. Normalmente, o termômetro clínico é utilizadona determinação da temperatura do corpo humano e 2 Cite os pontos fixos mais utilizados na constru-de outros seres vivos. ção de escalas de temperatura. Como é construído com a finalidade básica deindicar a temperatura mais elevada por ele atingida, 3 Quais são os pontos fixos das escalas Celsius equando em contato com o corpo humano, o termôme- Fahrenheit?tro clínico é considerado um termômetro de máxima.Para que esse objetivo seja alcançado, há um estran-gulamento do tubo capilar na região que o liga ao EXERCÍCIOS RESOLVIDOSbulbo, evitando, assim, o refluxo de mercúrio apóster atingido a temperatura máxima. 1 Transforme 40ºC em ºF Resolução: basta usar as escalas. estrangulamento 100ºC 212 44 35 bulho 40 TF Para desfazer o efeito do estrangulamento, é 0 32suficiente sacudir o termômetro com movimentos rá-pidos: a inércia do mercúrio leva-o de volta ao bulbo. Assim, temos: O termômetro clínico deve ter pequenas di- 40 − 0 T − 32 = F →mensões, a fim de atingir o equilíbrio térmico com o 100 − 0 212 − 32corpo humano rapidamente, e sua escala deve ser fra- 40 TF − 32 = →cionada para que seja sensível a pequenas variações 100 180de temperatura. Na prática, o termômetro clínico a- 4 TF − 32 = →presenta tubo capilar de alguns milímetros de diâme- 1 18 4.18 = TF − 32 → 72 = TF − 32tro e comprimento de dez centímetros,aproximadamente. T F = 72 + 32 → TF = 104º F Se você preferir, pode decorar a equação: O termômetro clínico, quando usado em maisde um paciente, pode funcionar como veículo de con- Tc FF − 32taminação microbiana. Assim, após cada tomada de 5 = 9temperatura, ele deve ser esterilizado. Mas, devido aopequeno intervalo de temperaturas (35°C a 44°C) emque ele trabalha, essa esterilização não pode ser feitaatravés de processos que utilizam temperaturas ele-vadas. O álcool, então, é o anti-séptico recomendado.Editora Exato 3
  • 4. 2 Que temperatura apresenta a mesma marcação 5 O sêmen bovino utilizado para inseminação arti- nas escalas Celsius e Fahrenheit. ficial é conservado em nitrogênio líquido que, à Resolução: Aqui, vamos usar a equação pronta. pressão normal, tem temperatura de 78K. Calcule Veja: esta temperatura em ºC e ºF. Tc TF − 32 = , se Tc = TF , temos 5 9 Tc Tc − 32 GABARITO = → 5 9 9. = 5 (Tc − 32) → Tc Estudo dirigido 9 = 5 − 160 Tc Tc 1 Em nível microscópico, pode-se dizer que tempe- 9 − 5 = −160 Tc Tc ratura é uma grandeza que mede o estado de agi- 4 = −160 Tc tação térmica das partículas que constituem um Tc = − 160 → Tc = −40ºC corpo. 4 2 Os dois pontos fixos mais utilizados são os pon- tos do gelo e do vapor. O primeiro corresponde EXERCÍCIOS ao ponto de fusão do gelo à pressão de 1atm, en- quanto o segundo corresponde à ebulição da água1 Julgue os itens: à pressão de 1atm. 1 A temperatura é uma medida que dá a noção 3 do grau de agitação das moléculas de um cor- po. Escala Celsius Escala Fahrenheit 2 Se um corpo A está em equilíbrio térmico 100ºC vapor 212ºF vapor com um corpo B, pode-se dizer que estão em equilíbrio térmico entre si. 3 O ponto de fusão da água a 1 atm em diferen- tes escalas é de 0ºC, 32ºF e 273K. 4 As escalas Kelvin e a Fahrenheit só podem 0ºC gelo 32ºF gelo apresentar valores não-negativos de temperatu- ra. Exercícios 1 C, C, C, E2 Que temperatura apresenta a mesma marcação 2 –40 0(°C ou °F) numérica nas escalas Celsius e Fahrenheit? 3 55cm3 Um termômetro clínico de mercúrio, ao ser cali- 4 62,5°x brado, apresentava a coluna de mercúrio com 5 –195°C e –319°F uma altura de 1,0cm para 35ºC e 11,5 cm para 42ºC. Que altura teria a coluna de mercúrio a uma temperatura de 38ºC?4 Uma escala arbitrária X relaciona-se com a esca- la Celsius de acordo com o diagrama a seguir. Qual a temperatura na escala X correspondente à temperatura de ebulição da água? °C 80 20 0 50 °XEditora Exato 4