Física Escalas Termométricas

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Física Escalas Termométricas, Celsius, Kelvin ....

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Física Escalas Termométricas

  1. 1. Escalas termométricas As escalas termométricas são instrumentos utilizados para medir o nível de agitação molecular ou simplesmente a temperatura de um corpo. O estado térmico de um corpo se eleva conforme se aumenta a velocidade de movimento das partículas presentes no mesmo. A medida desta alteração é o que conhecemos por temperatura. As escalas termométricas surgiram da necessidade de registrar e quantificar o quanto um corpo está quente ou frio. Existem vários tipos de escalas, das quais as mais conhecidas são a escala Celsius, escala Kelvin e escala Fahrenheit. Cada uma delas adota pontos fixos diferentes: a Celsius é amplamente usada na maior parte dos países, a Fahrenheit é ainda usada nos EUA, e a Kelvin é uma escala absoluta, de uso mais técnico e científico. Escala Celsius Esta escala é a utilizada aqui no Brasil. Ela tem como características principais ser considerada uma escala centígrada, onde os pontos fixos são de 0ºC para o ponto de gelo e 100ºC para o ponto de vapor. Foi proposta pelo cientista Anders Celsius (1701-1744) no século XVIII. Atualmente por sugestão de cientistas reunidos nas convenções internacionais, usa-se praticamente em todo o planeta essa escala. História Em 1742 o astrónomo sueco Anders Celsius (1701–1744) criou uma versão "invertida" da versão moderna da escala de temperatura Celsius onde o zero representava o ponto de ebulição da água e o cem representava o ponto de fusão. Na sua publicação Observations of twopersistentdegreeson a thermometer ele contava como nas suas observações experimentais o ponto de fusão do gelo não era afetado de forma eficaz pela pressão; também determinou com grande precisão como o ponto de ebulição da água variava em função da pressão atmosférica. Celsius propôs que o zero na sua escala de temperatura (ponto de ebulição da água) devia ser calibrado à pressão atmosférica ao nível do mar. Esta pressão é conhecida como a pressão de 1 atm. Atualmente, o ponto de fusão equivale ao zero e o ponto de ebulição, à pressão de 1 atm, equivale a 100 unidades Escala Fahrenheit Esta escala foi criada pelo inventor Daniel Gabriel Fahrenheit em meados dos anos de 1714 .Para tanto ele determinou dois pontos iniciais (pontos fixos). Ele introduziu seu termômetro, ainda sem nenhuma escala, dentro de uma mistura de água, gelo e sal de amônia. O mercúrio se deslocou dentro do termômetro até parar em determinada posição, a qual ele marcou e chamou de zero. O segundo ponto fixo ele obteve ao medir a temperatura do corpo humano, fazendo com que o mercúrio parasse num
  2. 2. segundo ponto. Quando isso aconteceu, Fahrenheit marcou a segunda posição e a chamou de 100. Após isto, ele dividiu a distância entre os dois pontos por 100 e teve então sua escala criada. Ao medir a temperatura da fusão do gelo em água na sua nova escala Fahrenheit achou o correspondente a 32ºF, enquanto, a temperatura de ebulição da água era de 212ºF. Essa escala é a mais utilizada nos países oriundos da língua inglesa.· História Em 1708 Daniel Gabriel Fahrenheit visitou OlafRømer em Copenhaga (ou Copenhague, Dinamarca). Com ele, aprendeu muito sobre a construção de termómetros de mercúrio, aperfeiçoando o processo de purificação do elemento posteriormente. OlafRømer era astrónomo e, portanto, estava habituado a utilizar o sistema sexagesimal (60 unidades). Esta provavelmente é a razão de ter atribuído nas suas pesquisas o valor 0º ao ponto de fusão da água e o valor 60º ao ponto de ebulição desta. Percebera, entretanto, que a temperatura mais baixa medida com seu termómetro em Copenhaga era inferior ao valor considerado 0º (ponto de fusão da água). Ao comparar a diferença entre o ponto de fusão da água e este "novo" valor encontrado, com o ponto de fusão da água e o de ebulição da mesma, constatou que a primeira diferença correspondia a 1/8 do tamanho da distância entre a fusão e a ebulição da água. Como a escala era dividida em 60 unidades, este 1/8 correspondia a 7,5, ou seja, a menor temperatura encontrada em Copenhaga era -7,5º numa escala que o ponto de fusão da água era 0º e o ponto de ebulição era 60º. Para evitar valores negativos nas suas medições meteorológicas, resolveu alterar a nomenclatura para 0º na temperatura mais baixa em Copenhaga, alterando consequentemente a temperatura de congelamento da água para 7,5º. fahrenheit seguiu pelo mesmo caminho e também usou estes dois números como referências para a sua escala. Rømer estava preocupado com medições meteorológicas, portanto, como Copenhaga praticamente nunca passava do valor de 20º na sua escala, resolveu construir termómetros que 3/4 do tamanho ficavam acima do ponto de fusão da água, ou seja, iam até 22,5º (7,5 x 3). Mais tarde, alterou o ponto de fusão da água para 8º em vez de 7,5º, o que fez com que os seus termómetros fossem até 24º (8 x 3) em vez de 22,5º. Logo depois, Fahrenheit passou também a adoptar o valor 8º para o ponto de fusão da água, evitando muitas contas com valores decimais. fahrenheit entretanto foi além. Por volta de 1717 desenvolveu um método de filtragem de mercúrio em membrana de couro que possibilitou criar termómetros mais precisos e, com isso, conseguiu dividir cada intervalo dos seus termómetros em quatro partes. Como não pretendia utilizar valores decimais, isto acarretou a multiplicação por 4 (quatro) de todos os valores que encontrara, assim, o ponto de fusão da água tornou-se 32º (8 x 4). Escala kelvin Como já foi dito, a temperatura mede o grau de agitação das moléculas, sendo assim a menor temperatura corresponde à situação na qual essa agitação cessa. Esse é denominado de zero absoluto. Na prática esse ponto é impossível de se alcançar, contudo, esse valor foi alcançado teoricamente na escala Celsius e corresponde a um valor igual a -273,15°C (aproximadamente -273). Willian Tomson, que viveu entre os anos de 1824 a 1907, durante a realização de experimentos verificou que se o volume de um gás for mantido constante, a sua pressão seria reduzida a uma razão de 1/273 do valor inicial para uma variação de -1°C na temperatura. Assim, ele concluiu que se o gás sofresse uma redução de temperatura de 0°C para -273°C, a sua temperatura reduziria a zero. A esse valor de -273°C ficou conhecido como zero absoluto. Kelvin atribuiu o zero da sua escala como sendo igual a -273°C na escala Celsius.
  3. 3. Definição Cada escala possui uma representação (uma letra maiúscula, seguida ou não de outras letras) e uma definição. As escalas são definidas por dois pontos-base. Destes pontos, é possível encontrar qualquer outro ponto através de uma função. Veja os pontos-base das escalas mais comuns, na tabela abaixo: Escala Ponto 1 Ponto 2 Celsius (C) Ponto de gelo (0) Ponto de vapor (100) 1 Zero absoluto (0) Ponto de vapor (373) Kelvin (K) Fahrenheit (F) Temperatura da salmoura (0) Temperatura do corpo humano (98)2 1 Rankine (Ra) Zero absoluto (0) Temperatura do corpo humano (557,67) 1 - A escalas kelvin e rankine são utilizadas para temperatura absoluta, sendo a primeira baseada na escala celsius e a segunda na escala fahrenheit; 2 - Inicialmente, adotou-se como 100 °F a temperatura do corpo humano, mas por definição, alterou-se para 98 °F. Pontos comuns Todas as escalas têm pontos comuns entre si! É possível representar um ponto da escala X na escala X', desde que este ponto represente a mesma temperatura. Normamlmente, a fins comparativos, utiliza-se como ponto comum em escalas o ponto de gelo (p1) e de vapor (p2): Escala Ponto de gelo Ponto de vapor Celsius (C) 0 100 Kelvin (K) 273 373 Fahrenheit (F) 32 212 Rankine (Ra) 491,67 671
  4. 4. Conversão Para converter uma temperatura de uma escala qualquer para um outra escala, utiliza-se a seguinte fórmula como expressão geral: Para: px a temperatura desejada de uma escala qualquer; p1 o ponto comum 1 de uma escala qualquer; p2 o ponto comum 2 de uma escala qualquer; p'x a temperatura desejada de uma escala desejada; p'1 o ponto comum 1 de uma escala desejada; p'2 o ponto comum 2 de uma escala desejada. Demonstração Em uma escala termométrica X, o calor 50 °X corresponde ao ponto de gelo, enquanto que 200 °X corresponde ao ponto de vapor. Quantos graus celsius correspondem a 150 °X? Temos: Então: Deste modo, 150 °X = 96,6 °C Função da escala Como as escalas formam uma função de primeiro grau, é possível determinar qualquer temperatura através da seguinte expressão geral: Desta forma: Podemos substituir por pontos comuns, em um sistema de equações: Os resultados de a e b são substituidos na expressão geral, e substitui-se as incógnitas se necessário.
  5. 5. Demonstração Sabendo os pontos comuns das escalas celsius (C) e fahrenheit (F), sendo o ponto de gelo (C = 0; F = 32) e o de vapor (C = 100; F = 212), determine a função para conversão da escala. Pela expressão geral: Montamos a equação: Substituimos pelos pontos comuns e fazemos o sistema de equações: Substituindo-se na fórmula específica: Reduzindo: Que é a função para conversão da escala fahrenheit para celsius.

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