Termometria


1. Calor e Temperatura

Essas duas idéias, ou conceitos, estão em geral muito relacionadas e, não raro, se fazem confusões entre elas. Há que distinguí-las:

Dá-se o nome de Calor a uma forma de energia que transita entre dois corpos. Uma panela com água recém fervida sobre um fogão irradia calor nas suas proximidades, o que pode ser percebido pelo simples aproximar das mãos.

Historicamente o calor intrigou os cientistas. Por volta do final do século XVIII muitas das propriedades das trocas de calor entre os corpos já eram conhecidas e estudadas, porém o desconhecimento da estrutura da matéria impedia uma formulação da teoria do calor que pudesse justificar e prever coerentemente os fenômenos térmicos.

Acabou prevalecendo a idéia de que todos os corpos e toda forma de matéria teria em sua constituição uma quantidade de um elemento invisível, sem peso e inodoro que recebeu o nome de "calórico". O calórico seria o responsável pelos fenômenos térmicos e poderia migrar de um corpo para outro modificando as temperaturas. Cada corpo possuiria uma quantidade finita de calórico.

Um pouco mais tarde, em 1824, Sadi Carnot mostrou que o calor podia ser transformado em trabalho e vice-versa, embora ainda acreditasse na existência do fluido calórico.

É possível que a primeira contestação da existência do calórico tenha sido formulada por Benjamin Thompson, conde de Rumford, nascido em 1753 em Massachussets, colônia britânica na América. Thompson atuou como ministro de assuntos militares do príncipe da Baviera, atividade que o envolveu com a produção de canhões.

Essas peças eram obtidas pela usinagem interna de cilindros de ferro fundido com o auxílio de uma broca. Obviamente o desbaste do ferro produzia muito calor, o que era creditado à libertação de calórico do metal. Thomsom, cientista e observador arguto, percebeu que mesmo quando as brocas se encontravam muito desgastadas e não podiam mais desbastar o ferro, ainda assim persistia a produção de calor e que isso poderia ser feito indefinidamente. Isso o levou a concluir que o calórico não deveria existir e que o calor tinha uma estreita relação com movimento e trabalho.

Pouco depois, os trabalhos do inglês James Prescott Joule, definiram a equivalencia entre trabalho e energia e postularam a conservação da energia, soterrando de vez a teoria do calórico. Ficou definitivamente estabelecido que o calor era uma forma de energia que fluia espontâneamente dos corpos de maior temperatura para os de menor temperatura, sendo que a energia total envolvida permanecia constante.

Resta entender o que seja temperatura. Esse conceito ficou bem definido após a descoberta da estrutura da matéria. Os átomos e moléculas que constituem os corpos vibram continuamente, com maior liberdade no caso dos gases, ou menor liberdade como nos líquidos e menos ainda nos sólidos. Contudo vibram. A essa vibração está associada uma quantidade de energia denominada energia cinética translacional média. A temperatura dos corpos é uma medida indireta dessa energia, ou estado vibracional.

Sintetizando: calor é uma forma de energia que flui e temperatura é uma medida do grau de agitação das moléculas de um corpo.

O que desejamos neste artigo é tratar da temperatura e sua medição.



2. O equilíbrio térmico e as propriedades termométricas


Quando dois corpos em temperaturas diferentes são postos em contato, flui calor espontâneamente, do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura, até que ambos alcancem a mesma temperatura. Esse estágio final é o equilíbrio térmico.

A variação da temperatura altera algumas das propriedades físicas dos corpos. Como regra geral, o volume dos corpos aumenta com o aumento de temperatura, a cor do espectro de radiação é alterada, como se percebe ao aquecer um fio metálico, a resitência elétrica é alterada e a pressão dos gases cresce com o aumento de temperatura. Essas são chamadas propriedades termométricas e são elas utulizadas para a medida de temperaturas, o que dá origem a diversos tipos de termômetros.

Um termômetro é um instrumento que se faz entrar em equilíbrio térmico com o corpo cuja temperatura se deseja medir e através do qual se observa a variação de uma propriedade termométrica. Para a medida da temperatura basta que se faça uma calibragem do termômetro em duas temperaturas diferentes tomadas como referências.

Uma outra propriedade da transferência de calor facilita a escolha dessas referências. Os corpos ao receberem calor aumentam sua temperatura exceto quando mudam de estado físico. Quando um bloco de gelo que está inicialmente a, digamos, -20°C, começa a receber calor, sua temperatura vai aumentando até chegar aos 0°C. Nesse momento inicia-se a fusão (derretimento) do gelo e todo o calor recebido a partir daí é consumido internamente para fundir o gelo, sem que a temperatura se altere. Somente após a fusão total do gelo é que a temperatura recomeça a subir.



Novamente, atingidos os 100°C (sempre à pressão de 760mmHg), é que a temperatura estaciona durante outra mudança de estado: a vaporização da água. Esses dois pontos, o do gelo fundente e o da vaporização da água à pressão atmosférica do nível do mar, são referenciais usados para a calibração dos termômetros.

Um termômetro a gás terá a pressão do gás medida nesses dois patamares, sejam elas P1 e P2 e o intervalo entre essas duas medidas é dividido em um número de partes que se chamarão graus de medida.

A peculiaridade de dilatação expressiva apresentada pelos líquidos é muito utilizada nos termômetros a álcool ou de mercúrio. Esses líquidos são confinados em um capilar de vidro de forma que se possa observar o comprimento da coluna que formam. Esses comprimentos são então medidos nos dois patamares de referência e novamente entre eles é criada uma escala.

                                                     

Acima um termômetro a gás e termômetros clínicos de mercúrio.



3. Escalas Termométricas


diferentes escalas são originadas quando são atribuídos valores aos patamares de referência e é estabelecida a quantidade de intervalos  entre eles. As tres principais escalas utilizadas atualmente são a Celsius, Fahrenheit e Kelvin (ou absoluta). Vejamos como são definidas:



Observe-se que a mesma temperatura é lida por diferentes valores em cada escala. Sendo os mesmos os patamares de referência e mesma a temperatura medida em diferentes escalas, existe uma proporcionalidade entre as leituras entre duas escalas que permite estabelecer equações de conversão entre elas. Veja a figura abaixo:

         


As expressões acima, duas a duas, fazem a conversão entre as escalas. Exemplo:

Uma temperatura de 30° é lida na escala Celcius. Quais serão os valores lidos para a mesma temperatura nas escalas Fahrenheit e Kelvin?



OBS: não se diz "graus" Kelvin, mas apenas Kelvin.


NOTA: a escala Kelvin

Essa escala foi criada pelo físico e engenheiro irlandes William Thomsom, que se tornou lorde Kelvin. O kelvin (com letra minúscula) é atualmente a unidade de medida de temperatura no Sistema Internacional de Unidades de Medida com símbolo K.