Iniciaremos os nossos estudos com a diferenciação dessas duas grandezas físicas escalares, temperatura e calor. Temperatura é a medida de agitação de átomos e moléculas. Quanto maior a velocidade de translação das moléculas, maior será a temperatura da substância.
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Quando, em um sistema, há dois corpos com diferentes temperaturas, haverá transferência de energia, do corpo com maior temperatura para o corpo com menor temperatura. Essa energia é o calor. A transferência cessa quando não há mais diferença de temperatura. Nesse momento, podemos dizer que o sistema alcançou o equilíbrio térmico.
“Se três sistemas apresentam-se isolados de qualquer outro universo externo, e, dois sistemas consecutivos estiverem em equilíbrio térmico com o terceiro, então os dois sistemas consecutivos estarão em equilíbrio térmico entre si”. Essa é a Lei Zero da Termodinâmica.
O instrumento que mede a temperatura de uma substância (em nível macroscópico) é o termômetro. O 1º termômetro foi inventado por Galileu, no final do século XVI. Eram chamados de termoscópios.
Quando a temperatura aumentava, o líquido subia. Quando diminuía, o líquido descia. Então, para medir essas variações de temperatura dos dias, por exemplo, bastava fazer marcações equidistantes no tubo.
Os termômetros usados hoje em dia para medir a temperatura do corpo de uma pessoa é um termoscópio graduado em uma escala termométrica (graus Celsius, por exemplo), constituído por um tubo capilar de vidro, fechado a vácuo, e um bulbo, contendo mercúrio. O mercúrio é ideal para essa função porque é o único metal líquido na temperatura ambiente. Por ser metal, tem boa condução de calor, sofrendo dilatação[i] em um curto intervalo de tempo. O bulbo do termômetro também é feito de metal, para que a transferência de calor do corpo para o termômetro seja feita rapidamente, e, em poucos minutos, ocorra o equilíbrio térmico. Assim, a temperatura do termômetro é a mesma do corpo.
Existem várias escalas termométricas. As mais famosas são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Os pontos fixos das escalas serão as temperaturas de fusão e de ebulição da água, no nível do mar.
A escala Fahrenheit é usada nos EUA, por exemplo. Já a escala Kelvin, usada no S.I., foi desenvolvida pelo físico irlandês William Thomson (Lorde Kelvin) chegou à conclusão de que havia uma temperatura mínima possível, que recebeu o nome de zero absoluto (0 K, lê-se zero Kelvin, e não zero grau Kelvin) e seria atingida quando todas as partículas de um corpo estivessem imóveis[ii].
Em 1925, Einstein e Bose previram que certo tipo de partículas, chamadas de bósons, quando submetidas a baixas temperaturas (próximas de 0K), formariam um novo estado da matéria (como sólido, líquido e gasoso). O primeiro condensado de bósons foi produzido em um laboratório na Universidade do Colorado, em 1995. A temperatura chegou na ordem de 10-7K. Esse novo estado da matéria ficou conhecido como condensado de Bose-Einstein.
Voltando às escalas, temos que saber como podemos saber como transformar a leitura de uma escala para outra.
CELSIUS E FAHRENHEIT
Podemos ver, através das escalas, que 32˚F equivalem a 0˚C e que 212˚F equivalem a 100˚C. Podemos, então, fazer um gráfico F x C.
Na 1ª equação, podemos tirar que b=32, então:
Logo:
OBSERVAÇÃO
O coeficiente angular mede a variação em graus Fahrenheit em relação à variação em graus Celsius:
KELVIN E CELSIUS
Essa relação é mais simples. Note que, na escala Kelvin, os valores são 273 a mais que na escala em graus Celsius. Então:
Perceba que a variação na escala Kelvin é a mesma que na escala Celsius, ou seja, . Note também que 0K equivale a -273°C.
Exemplos
1) 86°F equivale a qual valor na escala Celsius?
Resolução:
2) Uma pessoa está com febre. Sua temperatura variou 2°C. Qual seria essa variação em °F e em K?
Resolução:
3) Em certa escala X, a água, no nível do mar, sofre fusão a temperatura de 20°X e sofre ebulição a 80°X. Qual o valor numérico de 68° X na escala °C?
Resolução:
Temos que:
Logo:
Exemplos
1) 86°F equivale a qual valor na escala Celsius?
Resolução:
2) Uma pessoa está com febre. Sua temperatura variou 2°C. Qual seria essa variação em °F e em K?
Resolução:
3) Em certa escala X, a água, no nível do mar, sofre fusão a temperatura de 20°X e sofre ebulição a 80°X. Qual o valor numérico de 68° X na escala °C?
Resolução:
Temos que:
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