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Temperatura

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A temperatura de um gás ideal monoatómico é uma medida relacionada com a energia cinética média de suas moléculas ao mover-se. Nesta animação, a relação do tamanho dos átomos de helio com respeito a sua separação conseguir-se-ia baixo uma pressão de 1950 atmosferas. Estes átomos a temperatura ambiente têm uma verdadeira velocidade média (aqui reduzida dois biliões de vezes).

A temperatura é uma magnitude referida às noções comuns de quente ou frio. Pelo geral, um objecto mais "quente" terá uma temperatura maior, e se for frio terá uma temperatura menor. Fisicamente é uma magnitude escalar relacionada com a energia interna de um sistema termodinámico, definida pelo princípio zero da termodinámica. Mais especificamente, está relacionada directamente com a parte da energia interna conhecida como "energia sensível", que é a energia associada aos movimentos das partículas do sistema, seja em um sentido traslacional, rotacional, ou em forma de vibrações. À medida que é maior a energia sensível de um sistema, observa-se que está mais "quente"; isto é, que sua temperatura é maior.

No caso de um sólido, os movimentos em questão resultam ser as vibrações das partículas em seus lugares dentro do sólido. No caso de um gás ideal monoatómico trata-se dos movimentos traslacionales de suas partículas (para os gases multiatómicos os movimentos rotacional e vibracional devem tomar-se em conta também).

Dito o anterior, pode-se definir a temperatura como a cuantificación da actividade molecular da matéria.


O desenvolvimento de técnicas para a medida da temperatura tem passado por um longo processo histórico, já que é necessário dar-lhe um valor numérico a uma ideia intuitiva como é o frio ou o quente.

Multidão de propriedades fisicoquímicas dos materiais ou as substâncias variam em função da temperatura à que se encontrem, como por exemplo seu estado (sólido, líquido, gasoso, plasma), seu volume, a solubilidad, a pressão de vapor, sua cor ou a conductividad eléctrica. Assim mesmo é um dos factores que influem na velocidade à que têm lugar as reacções químicas.

A temperatura mede-se com termómetros, os quais podem ser calibrados de acordo a uma multidão de escalas que dão lugar a unidades de medida da temperatura. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de temperatura é o kelvin (K), e a escala correspondente é a escala Kelvin ou escala absoluta, que associa o valor "zero kelvin" (0 K) ao "zero absoluto", e se gradúa com um tamanho de grau igual ao do grau Celsius. No entanto, fora do âmbito científico o uso de outras escalas de temperatura é comum. A escala mais estendida é a escala Celsius (dantes chamada centígrada); e, em muita menor medida, e praticamente só nos Estados Unidos, a escala Fahrenheit. Também se usa às vezes a escala Rankine (°R) que estabelece seu ponto de referência no mesmo ponto da escala Kelvin, o zero absoluto, mas com um tamanho de grau igual ao da Fahrenheit, e é usada unicamente nos Estados Unidos, e só em alguns campos da engenharia.

Conteúdo

Noções gerais

A temperatura é uma propriedade física que se refere às noções comuns de frio ou calor, no entanto seu significado formal em termodinámica é mais complexo, com frequência o calor ou o frio percebido pelas pessoas tem mais que ver com a sensação térmica (ver mais abaixo), que com a temperatura real. Fundamentalmente, a temperatura é uma propriedade que possuem os sistemas físicos a nível macroscópico, a qual tem uma causa a nível microscópico, que é a energia média por partícula.

Ao invés de outras quantidades termodinámicas como o calor ou a entropía, cujas definições microscópicas são válidas bem longe do equilíbrio térmico, a temperatura só pode ser medida no equilíbrio, precisamente porque se define como uma média.

A temperatura está intimamente relacionada com a energia interna e com a entalpía de um sistema: a maior temperatura maiores serão a energia interna e a entalpía do sistema.

A temperatura é uma propriedade intensiva, isto é que não depende do tamanho do sistema, senão que é uma propriedade que lhe é inherente e não depende nem da quantidade de substância nem do material do que este composto.

Definição formal

Lei zero da termodinámica

Um termómetro deve atingir o equilíbrio térmico dantes de que sua medida seja correcta.

Dantes de dar uma definição formal de temperatura, é necessário entender o conceito de equilíbrio térmico. Se duas partes de um sistema entram em contacto térmico é provável que ocorram mudanças nas propriedades de ambas. Estas mudanças devem-se à transferência de calor entre as partes. Para que um sistema esteja em equilíbrio térmico deve chegar no ponto em que já não há intercâmbio neto de calor entre suas partes, ademais nenhuma das propriedades que dependem da temperatura deve variar.

Uma definição de temperatura pode-se obter da Lei zero da termodinámica, que estabelece que se dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico, com um terceiro sistema C, então os sistemas A e B estarão em equilíbrio térmico entre si. Este é um facto empírico mais que um resultado teórico. Já que tanto os sistemas A, B, e C estão todos em equilíbrio térmico, é razoável dizer que compartilham um valor comum de alguma propriedade física. Chamamos a esta propriedade temperatura.

No entanto, para que esta definição seja útil é necessário desenvolver um instrumento capaz de dar um significado cuantitativo à noção cualitativa dessa propriedade que presuponemos compartilham os sistemas A e B. Ao longo da história fizeram-se numerosas tentativas, no entanto na actualidade predominan o sistema inventado por Anders Celsius em 1742 e o inventado por William Thomson (melhor conhecido como lord Kelvin) em 1848 .

Segunda lei da termodinámica

Também é possível definir a temperatura em termos da segunda lei da termodinámica, a qual diz que a entropía de todos os sistemas, ou bem permanece igual ou bem aumenta com o tempo, isto se aplica ao Universo inteiro como sistema termodinámico. A entropía é uma medida da desordem que há em um sistema. Este conceito pode ser entendido em termos estatísticos, considere uma série de tiros de moedas. Um sistema perfeitamente ordenado para a série, seria aquele em que só cai cara ou só cai cruz. No entanto, existem múltiplas combinações pelas quais o resultado é uma desordem no sistema, isto é que tenha uma fracção de caras e outra de cruzes. Um sistema desordenado poderia ser aquele no que há 90% de caras e 10% de cruzes, ou 60% de caras e 40% de cruzes. No entanto é claro que à medida que se fazem mais tiros, o número de combinações possíveis pelas quais o sistema se desordena é maior; em outras palavras o sistema evolui naturalmente para um estado de desordem máximo isto é 50% caras 50% cruzes de tal maneira que qualquer variação fora desse estado é altamente improvável.

Para dar a definição de temperatura com base na segunda lei, terá que introduzir o conceito de máquina térmica a qual é qualquer dispositivo capaz de transformar calor em trabalho mecânico. Em particular interessa conhecer a proposta teórica da máquina de Carnot, que é uma máquina térmica de construção teórica, que estabelece os limites teóricos para a eficiência de qualquer máquina térmica real.

Aqui mostra-se a máquina térmica descrita por Carnot, o calor entra ao sistema através de uma temperatura inicial (aqui mostra-se comoTH) e flui através do mesmo obrigando ao sistema a exercer um trabalho sobre seus arredores, e depois passa ao médio frio, o qual tem uma temperatura final (TC).

Em uma máquina térmica qualquer, o trabalho que esta realiza corresponde à diferença entre o calor que se lhe fornece e o calor que sai dela. Portanto, a eficiência é o trabalho que realiza a máquina dividido entre o calor que se lhe fornece:


\eta = \frac {W_{ci}}{Q_i} = \frac{Q_i-Q_f}{Q_i} = 1 - \frac{Q_f}{Q_i}
(1)

Onde Wci é o trabalho feito pela máquina na cada ciclo. Vê-se que a eficiência depende só de Qi e de Qf. Já que Qi e Q f correspondem ao calor transferido às temperaturas Ti e Tf, é razoável assumir que ambas são funções da temperatura:

\frac{q_C}{q_H} = \frac{f(T_f)}{f(T_i)}= g(T_i,T_f)
(2)

No entanto, é possível utilizar a conveniencia, uma escala de temperatura tal que


\frac{Q_f}{Q_i} = \frac{T_f}{T_i}
(3)

Substituindo a equação (3) na (1) relaciona a eficiência da máquina com a temperatura:


\eta = 1 - \frac{Q_f}{q_i} = 1 - \frac{T_f}{T_i}
(4)

Há que notar que para Tf = 0 K a eficiência se faz de 100%, temperaturas inferiores produzem uma eficiência ainda maior que 100%. Já que a primeira lei da termodinámica proíbe que a eficiência seja maior que o 100%, isto implica que a mínima temperatura que se pode obter em um sistema microscópico é de 0 K. Reordenando a equação (4) obtém-se:


\frac {Q_i}{T_i} - \frac{Q_f}{T_f} = 0 (5)

Aqui o signo negativo indica a saída de calor do sistema. Esta relação sugere a existência de uma função de estado S definido por:


dS = \frac {dQ_\mathrm{rev}}{T}
(6)

Onde o subíndice indica um processo reversible. A mudança desta função de estado em qualquer ciclo é zero, tal como é necessário para qualquer função de estado. Esta função corresponde à entropía do sistema, que foi descrita anteriormente. Reordenando a equação seguinte para obter uma definição de temperatura em termos da entropía e o calor:


T = \frac{dQ_\mathrm{rev}}{dS}
(7)

Para um sistema em que a entropía seja uma função de sua energia interna E, sua temperatura esta dada por:


\frac{1}{T} = \frac{dS}{dE}
(8)

Isto é, o recíproco da temperatura do sistema é a razão de mudança de sua entropía com respeito a sua energia.

Unidades de temperatura

Comparam-se as escalas Celsius e Kelvin mostrando os pontos de referência anteriores a 1954 e os posteriores para mostrar como ambas convenções coincidem. De cor negro aparecem o ponto triplo da água (0,01 °C, 273,16 K) e o zero absoluto (-273,15 °C, 0 K). De cor cinza os pontos de congelamiento (0,00 °C, 273,15 K) e ebullición da água (100 °C, 373,15 K).

As escalas de medida da temperatura dividem-se fundamentalmente em dois tipos, as relativas e as absolutas. Os valores que pode adoptar a temperatura em qualquer escala de medida, não têm um nível máximo, senão um nível mínimo: o zero absoluto.[1] Enquanto as escalas absolutas baseiam-se no zero absoluto, as relativas têm outras formas de definir-se.

Relativas

Artigo principal: Unidades derivadas do SE
Em 1954 a escala Celsius foi redefinida na Décima Conferência de Pesos e Medidas em termos de um só ponto fixo e da temperatura absoluta do zero absoluto. O ponto escolhido foi o ponto triplo da água que é o estado no que as três fases da água coexisten em equilíbrio, ao qual se lhe atribuiu um valor de 0,01 °C. A magnitude do novo grau Celsius define-se a partir de zero absoluto como a fracção 1/273,16 do intervalo de temperatura entre o ponto triplo da água e o zero absoluto. Como na nova escala os pontos de fusão e ebullición da água são 0,00 °C e 100,00 °C respectivamente, resulta idêntica à escala da definição anterior, com a vantagem de ter uma definição termodinámica.

Absolutas

As escalas que atribuem os valores da temperatura em dois pontos diferentes se conhecem como escalas a dois pontos. No entanto no estudo da termodinámica é necessário ter uma escala de medida que não dependa das propriedades das substâncias. As escalas deste tipo se conhecem como escalas absolutas ou escalas de temperatura termodinámicas.

Sistema Internacional de Unidades (SE)

Esclarecimento: Não se lhe antepõe a palavra grau nem o símbolo º.

Sistema Anglosajón de Unidades:

Conversão de temperaturas

As seguintes fórmulas associam com precisão as diferentes escalas de temperatura:

Kelvin Grau Celsius Grau Fahrenheit Grau Rankine Grau Réaumur Grau Rømer Grau Newton Grau Delisle
Kelvin K = K K = C + 273,15 K = (F + 459,67) \textstyle \frac{5}{9} K = Ra\textstyle \frac{5}{9} K = Re \textstyle \frac{5}{4} + 273,15 K = (Ro - 7,5)\textstyle \frac{40}{21} + 273,15 K = N \textstyle \frac{100}{33} + 273,15 K = 373,15 - De \textstyle \frac{2}{3}
Grau Celsius C = K - 273,15 C = C C = (F - 32) \textstyle \frac{5}{9} C = (Ra - 491,67) \textstyle \frac{5}{9} C = Re \textstyle \frac{5}{4} C = (Ro - 7,5) \textstyle \frac{40}{21} C = N \textstyle \frac{100}{33} C = 100 - De\textstyle \frac{2}{3}
Grau Fahrenheit F = K \textstyle \frac{9}{5} - 459,67 F = C \textstyle \frac{9}{5} + 32 F = F F = Ra - 459,67 F = Re \textstyle \frac{9}{4} + 32 F = (Ro - 7,5) \textstyle \frac{24}{7} + 32 F = N \textstyle \frac{60}{11} + 32 F = 121 - De \textstyle \frac{6}{5}
Grau Rankine Ra = K \textstyle \frac{9}{5} Ra = (C + 273,15) \textstyle \frac{9}{5} Ra = F + 459,67 Ra = Ra Ra = Re \textstyle \frac{9}{4} + 491,67 Ra = (Ro - 7,5) \textstyle \frac{24}{7} + 491,67 Ra = N \textstyle \frac{60}{11} + 491,67 Ra = 171,67 - De\textstyle \frac{5}{6}
Grau Réaumur Re = (K - 273,15) \textstyle \frac{4}{5} Re = C \textstyle \frac{4}{5} Re = (F - 32) \textstyle \frac{4}{9} Re = (Ra - 491,67) \textstyle \frac{4}{9} Re = Re Re = (Ro - 7,5) \textstyle \frac{32}{21} Re = N \textstyle \frac{80}{33} Re = 80 - De\textstyle \frac{8}{15}
Grau Rømer Ro =(K - 273,15) \textstyle \frac{21}{40} +7,5 Ro = C \textstyle \frac{21}{40} +7,5 Ro = (F - 32) \textstyle \frac{7}{24} +7,5 Ro = Ra - 491,67 \textstyle \frac{7}{24} +7,5 Ro = Re \textstyle \frac{21}{32} +7,5 Ro = Ro Ro = N \textstyle \frac{35}{22} +7,5 Ro = 60 - De\textstyle \frac{7}{20}
Grau Newton N = (K - 273,15) \textstyle \frac{33}{100} N = C \textstyle \frac{33}{100} N = (F - 32) \textstyle \frac{11}{60} N = (Ra - 491,67) \textstyle \frac{11}{60} N = Re \textstyle \frac{33}{80} N = (Ro - 7,5) \textstyle \frac{22}{35} N = N N = 33 - De \textstyle \frac{11}{50}
Grau Delisle De = (373,15 - K) \textstyle \frac{3}{2} De = (100 - C) \textstyle \frac{5}{6} De = (121 - F) \textstyle \frac{3}{2} De = (671,67 - Ra) \textstyle \frac{6}{5} De = (80 - Re) \textstyle \frac{8}{15} De = (60 - Ro) \textstyle \frac{20}{7} De = (33 - N) \textstyle \frac{50}{11} De = De

Temperatura em diferentes meios

A temperatura nos gases

Para um gás ideal, a teoria cinética de gases utiliza mecânica estatística para relacionar a temperatura com a média da energia total dos átomos no sistema. Esta média da energia é independente da massa das partículas, o qual poderia parecer contraintuitivo pára muitos. A média da energia está relacionado exclusivamente com a temperatura do sistema, no entanto, a cada partícula tem sua própria energia a qual pode ou não corresponder com a média; a distribuição da energia, (e portanto das velocidades das partículas) está dada pela distribuição de Maxwell-Boltzmann. A energia dos gases ideais monoatómicos relaciona-se com sua temperatura por médio da seguinte expressão:

 \overline{E}_t = \begin{matrix} \frac{3}{2} \end{matrix} nRT , onde (n= número de moles , R= constante dos gases ideais).

Em um gás diatómico, a relação é:

 \overline{E}_t = \begin{matrix} \frac{5}{2} \end{matrix} nRT

O cálculo da energia cinética de objectos mais complicados como as moléculas, é mais difícil. Envolvem-se graus de liberdade adicionais os quais devem ser considerados. A segunda lei da termodinámica estabelece no entanto, que dois sistemas ao interactuar o um com o outro adquirirão a mesma energia média por partícula, e portanto a mesma temperatura.

Em uma mistura de partículas de várias massas diferentes, as partículas mais em massa mover-se-ão mais lentamente que as outras, mas ainda assim terão a mesma energia média. Um átomo de Neón move-se relativamente mais lento que uma molécula de hidrógeno que tenha a mesma energia cinética. Uma maneira análoga de entender isto é notar que por exemplo, as partículas de pó suspendidas em um fluxo de água se movem mais lentamente que as partículas de água. Para ver uma ilustração visual deste feito veja este enlace. A lei que regula a diferença nas distribuições de velocidade das partículas com respeito a sua massa é a lei dos gases ideais.

No caso particular da atmosfera, os meteorólogos têm definido a temperatura atmosférica (tanto a temperatura virtual como o potencial) para facilitar alguns cálculos.

Sensação térmica

É importante destacar que a sensação térmica é algo diferente da temperatura tal como se define em termodinámica. A sensação térmica é o resultado da forma em que a pele percebe a temperatura dos objectos e/ou de seu meio, a qual não reflete fielmente a temperatura real de ditos objectos e/ou meio. A sensação térmica é um pouco complexa de medir por diferentes motivos:

Então o valor cuantitativo da sensação térmica está dado principalmente pela gradiente de temperatura que se dá entre o objecto e a parte do corpo que está em contacto directo e/ou indirecto com dito objecto (que está em função da temperatura inicial, área de contacto, densidade dos corpos, coeficientes termodinámicos de transferência por condução, radiación e conveccción, etc). No entanto, existem outras técnicas bem mais singelas que tentam simular a medida de sensação térmica em diferentes condições mediante um termómetro:

Temperatura seca

Chama-se-lhe temperatura seca do ar de um meio (ou mais singelamente: temperatura seca) à temperatura do ar, prescindiendo da radiación calorífica dos objectos que rodeiam esse ambiente concreto, e dos efeitos da humidade relativa e dos movimentos de ar. Pode-se obter com o termómetro de mercurio, com respeito a cujo bulbo, reflectante e de cor branco brilhante, se pode supor razoavelmente que não absorve radiación.

Temperatura radiante

A temperatura radiante tem em conta o calor emitido por radiación dos elementos do meio.

Toma-se com um termómetro de bulbo, que tem o depósito de mercurio encerrado em uma esfera ou bulbo metálico de cor negro, para o assemelhar o mais possível a um corpo negro e assim absorver a máxima radiación. Para anular no possível o efeito da temperatura do ar, o bulbo negro isola-se em outro bulbo que se foi feito ao vazio.

As medidas podem-se tomar baixo o sol ou baixo sombra. No primeiro caso ter-se-á em conta a radiación solar, e dar-se-á uma temperatura bastante mais elevada.

Também serve para dar uma ideia da sensação térmica.

A temperatura de bulbo negro faz uma função parecida, dando a combinação da temperatura radiante e a ambiental.

Temperatura húmida

Temperatura de bulbo húmido ou temperatura húmida, é a temperatura que dá um termómetro baixo sombra, com o bulbo envolvido em um estopim de algodón húmido baixo uma corrente de ar. A corrente de ar produz-se mediante um pequeno ventilador ou pondo o termómetro em um molinete e fazendo-o girar. Ao evaporarse a água, absorve calor rebajando a temperatura, efeito que refletirá o termómetro. Quanto menor seja a humidade relativa do ambiente, mais rapidamente se evaporará a água que empapa o paño. Este tipo de medida utiliza-se para dar uma ideia da sensação térmica, ou nos psicrómetros para calcular a humidade relativa e a temperatura do ponto de orvalho.

Coeficiente de dilatación térmica

Artigo principal: Coeficiente de dilatación

Durante uma transferência de calor, a energia que está armazenada nos enlaces intermoleculares entre 2 átomos muda. Quando a energia armazenada aumenta, também o faz a longitude destes enlaces. Assim, os sólidos normalmente* se expandem ao se aquecer e se contraem ao se arrefecer; este comportamento de resposta ante a temperatura expressa-se mediante o coeficiente de dilatación térmica (unidades: °C-1):

\alpha=\frac{1}{V}\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)

Para sólidos, o tipo de coeficiente de dilatación mais comummente usado é o coeficiente de dilatación linear αL. Para uma dimensão linear qualquer, se pode medir experimentalmente comparando o valor de dita magnitude dantes e após verdadeira mudança de temperatura, como:

\alpha_L = \frac{d\ln L}{dT}\approx \frac{1}{L}\frac{\Delta L}{\Delta T}

Pode ser usada para abreviar este coeficiente, tanto a letra grega alfa \alpha\; como a letra lambda \lambda\;.

Em gases e líquidos é mais comum usar o coeficiente de dilatación volumétrico αV, que vem dado pela expressão:

\alpha_V = \frac{d\ln V}{dT}\approx \frac{1}{V}\frac{\Delta V}{\Delta T}

Para sólidos, também pode se medir a dilatación térmica, ainda que resulta menos importante na maioria de aplicações técnicas. Para a maioria de sólidos nas situações práticas de interesse, o coeficiente de dilatación volumétrico resulta ser mais ou menos o triplo do coeficiente de dilatación linear:

{\alpha_V}_\mbox{solidos} \approx 3\alpha_L

Esta relação é exacta no caso de sólidos isotrópos.

Curiosidades

Referências

  1. a b Resnik Halliday Krane (2002). Física Volume 1, Cecsa. ISBN 970-24-02-0257-3.

Enlaces externos

Wikilibros

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