Escalas Termométricas de Temperatura

Escalas Termométricas de Temperatura

William Thomson Kelvin Biografia

William Thomson, 1º Barão Kelvin (26 de junho de 1824 – 17 de dezembro de 1907) foi um físico e matemático e engenheiro britânico, considerado um líder nas ciências físicas do século XIX.

Ele fez importantes contribuições na análise matemática da eletricidade e termodinâmica, e fez muito para unificar as disciplinas emergentes da física em sua forma moderna.

Escala Kelvin de temperatura absoluta

William Thomson é conhecido pela escala Kelvin absoluta. O título de Barão Kelvin é uma homenagem as suas realizações.

Força eletromotriz de Thomson, é a tensão elétrica existente entre dois pontos que estão em temperaturas diferentes num condutor. Este efeito foi objeto de estudo de William Thomsom (Lord Kelvin). Em 1854, Thomson concluiu, através das leis da termodinâmica, que a condução de calor, ao longo dos fios metálicos de um par termo elétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio.

William Thomson Kelvin Biografia, descobertas

Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson.

Artigo científico que foi o precursor da teoria de Einstein

Em 1881 escreveu um artigo científico que foi o precursor da teoria de Einstein. Nele mostrava que massa e energia se equivalem. Tinha então 24 anos. Ao diplomar-se, passou a trabalhar no Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge, onde em 1884 assumiu a chefia, embora criticado por ter apenas vinte e oito anos.

Em 1890 casa-se com Rose Paget, aluna de seus cursos avançados. Seu filho George Paget Thomson nasceu em 1892. Descobriu a mínima partícula em 1897, o “elétron”, e assim estabeleceu a teoria da natureza elétrica da matéria.

Suas experiências com o raio catódico, descoberto pelo físico Crookes, Thomson verificou que além de serem desviados por um imã, também eram desviados por um campo elétrico, o que dentro das leis da eletrodinâmica, confirmava que os raios catódicos eram correntes de partículas dotadas de carga elétrica.

Thomson empreendeu então a tarefa de medir a massa relativa da partícula de carga elétrica negativa que hoje conhecemos por elétron. Descobriu que a a massa de cada uma era cerca de 2000 avos de um átomo de hidrogênio. Ao mesmo tempo calculou a velocidade do elétron e achou que era de cerca de 256 000 km por segundo.

A “câmera de nuvem” – Escalas Termométricas de Temperatura

Em 1897 houve alguma relutância em aceitar a ideia dessas partículas, por isso Thomson sugeriu que elas fossem fotografadas. O professor Thomson encarregou seu aluno Charles T. R. Wilson, de solucionar esse problema. Wilson construiu um dispositivo em que podia produzir rapidamente a umidade e também as partículas atômicas. Trabalhou durante anos e finalmente em 1911 aperfeiçoou sua “câmera de nuvem”.

O trabalho estava completo. A partícula negativa que Thomson descobrira fora pesada, sua velocidade fora medida e de certo modo seu retrato estava tirado. Já naquela época recebera o nome de elétron. Thomson deixou precioso legado de manuais de Física, Matemática e Química.

Joseph John Thomson morreu em Cambridge, Inglaterra, no dia 30 de agosto de 1940.

Escalas Termométricas de Temperatura

A primeira escala de temperatura estabelecida foi a Fahrenheit em 1714, a qual se convencionou um valor zero, para o que então se pensou ser a menor temperatura capaz de se obter em laboratório. Nesta escala estabeleceu‑se o valor de 32° para a temperatura de congelamento da água e 212° para a temperatura de evaporação da água, ambos medidos à pressão de uma atmosfera, isto é, ao nível do mar. A diferença entre os pontos de ebulição e congelamento foi dividido em 180 (212 ‑ 32) partes iguais às quais se deu o nome de grau Fahrenheit.

Mais tarde, baseada no sistema métrico, foi desenvolvida a escala Celsius ou Centígrado que, tomando os mesmos dois pontos de referência deram a eles a designação 0°C a 100°C. À diferença entre os dois pontos de referência dividida em 100 (100 ‑ 0) partes iguais, deu‑se o nome de grau Celsius.

Zero absoluto

Com o desenvolvimento da física teórica e prática, os cientistas concluíram que, embora se tivesse conseguido chegar a temperaturas muito abaixo de 0°F ou 0°C, haveria um valor teórico que jamais poderia ser ultrapassado. Seria a temperatura em que os corpos simplesmente não teriam mais energia térmica. A este valor estipulou‑se o nome de “zero absoluto”. Na escala Fahrenheit este valor responde a ‑ 459,67 °F, na escala Centígrado a ‑ 273, 15°C. Nestas temperaturas, os corpos perderam todo o seu conteúdo calorífico.

Foram então desenvolvidas duas outras escalas, chamadas de absolutas. A escala Kelvin começa a contar a partir de zero absoluto da escala Centígrado, isto é, ‑ 273, 15°C. Consequentemente, para a variação de 1° centígrado na escala Celsius teremos a mesma variação na escala Kelvin. “Mudou apenas a referência. Assim é que na escala Kelvin a água congela a + 273,15°K e evapora a + 373,15°K”.

A escala Rankine usa o mesmo princípio, iniciando em ‑ 459, 67°F sendo que para a variação de 1° na escala Rankine teremos a mesma variação de 1° na escala Fahrenheit. Assim é que na escala Rankine a água congela a 491,67°R e evapora a 671,67°R.

UNIDADES DE MEDIDA

Outras escalas de temperatura existem, porém de raríssima utilização como é o caso da escala Réaumur (°Ré) que considera o ponto de fusão do gelo a 0°Ré e o ponto de ebulição da água a 80°Ré (para pressão 760mm de mercúrio).

Escala Celsius (ºC): Celsius arbitrou a temperatura de 0ºC ao ponto de fusão do gelo sob pressão normal, e 100 ºC para a temperatura de ebulição da água em condições normais de pressão. Entre os limites citados, a escala foi dividida em cem partes iguais, cada uma das partes denominamos grau Celsius.

Escala Fahrenheit (ºF): Nesta escala relativa, a temperatura de vaporização da água é de 212 ºF (pressão normal), e a temperatura de fusão do gelo (pressão normal) é definida como 32 ºF. Entre esses dois pontos fixos, temos 180 partes iguais, cada uma delas correspondendo a 1 grau fahrenheit.

Escala Kelvin (K): O zero absoluto, na escala kelvin, é a temperatura de menor energia de um sistema, no entanto nenhum sistema pode ser arrefecido até tal temperatura. Uma das temperaturas mais baixas já atingidas em laboratório foi de 4 K. Nessa temperatura, o hélio torna‑se líquido.

Para conversão de temperatura de uma escala para outra se pode usar ábacos, tabelas ou simplesmente fórmulas como segue:

          °F – 32

°C =  ————  . 5

               9

          °C . 9

°F =  ————  + 32

              5

°K =  °C + 273,15

°R =  °F + 459,67

             4

°Ré =  ——  . °C

             5

Anders Celsius Biografia Curiosidades

Anders Celsius (27 de Novembro de 1701 – 25 de Abril de 1744) foi um astrônomo sueco.

Celsius nasceu em Ovanåker, na Suécia. Foi professor de Astronomia na Universidade Uppsala de 1730 a 1744, mas viajou de 1732 a 1735, visitando principalmente observatórios na Alemanha, Itália e França.

Em 1733 publicou em Nurembergue (Nürnberg) uma coleção de 316 observações da Aurora Boreal feitas por ele próprio e outros durante os anos 1716-1732.

Em Paris, defendeu a medida do arco de meridiano na Lapônia, e em 1736 fez parte da expedição organizada com este intuito pela Academia Francesa de Ciências e dirigida por Pierre Louis Moreau de Maupertuis.

Anders Celsius Biografia Curiosidades e descobertas

Apesar de morrer jovem, Celsius viveu o suficiente para fazer importantes contribuições em várias áreas do conhecimento. Como astrônomo, ele foi primordialmente um observador. Usando um método puramente fotométrico (filtros de luz através de placas de vidro), ele conseguiu determinar a magnitude das estrelas da Constelação de &AACUTEries (De constellatione Arietis, 1740).

Durante a discussão sobre a queda do nível do Báltico, ele escreveu um artigo a respeito, baseado em experimentos exatos, “Anmärkning om vatnets förminskande” (1743). Celsius é melhor conhecido relacionado a uma escala termométrica.

Apesar de uma escala centígrada ter sido usada anteriormente, foi a famosa observação de Celsius a respeito dos dois ‘graus constantes’ no termômetro, “Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer” (1742), que conduziu a sua aceitação geral. Como os ‘graus constantes’, ou pontos fixos, ele escolheu os pontos de congelamento e ebulição da água, chamando o ponto de ebulição de ponto zero, e o de congelamento de ponto cem.

O sistema, com a escala reversa, introduzido no observatório de Uppsala, foi conhecido como o ‘termômetro sueco’. Por volta de 1800, as pessoas começaram a se referir a ele como termômetro de Celsius.

Celsius foi um dos fundadores do Observatório Astronômico de Uppsala em 1741, mas é mais conhecido pela escala de temperatura Celsius, proposta pela primeira vez em um documento endereçado à Academia Real de Ciências da Suécia em 1742. Esta escala foi revisada por Carolus Linnaeus em 1745 e permanece como padrão até hoje.

Morreu de tuberculose em Uppsala.

Daniel Gabriel Fahrenheit Biografia

Daniel Gabriel Fahrenheit (Gdansk, 24 de maio de 1686 — Haia, 16 de setembro de 1736) foi um físico alemão.

Gabriei Daniei Fahrenheit nasceu na cidade de Danzig (que era alemã, mas atualmente fica na Polônia e se chama Gdahsk). Ainda jovem, mudou-se para a Holanda, onde se tornou fabricante de instrumentos meteorológicos.

Filho do mercador Daniel Fahrenheit e Concordia Fahrenheit, filha da tradicional família de comerciantes Schumann, de Gdansk, Daniel foi o mais novo dos cinco filhos que sobreviveram à infância (dois filhos e três filhas). O avô de Daniel, Reinhold Fahrenheit vom Kneiphof, mudou-se de Königsberg para Gdansk e se estabeleceu como mercador.

Pesquisas sugerem que a família Fahrenheit é originaria de Hildesheim, entretanto eles viveram em Rostock antes de mudarem para Königsberg.
Um acidente com o consumo de cogumelos venenosos causou a morte de seus pais. Entretanto, seu interesse por ciências naturais causou nele gosto pelo estudo e experimentações nesse campo. Fahrenheit foi estudar em Amsterdã, onde teve lições em Química. Em 1724 ele se tornou membro da Royal Society. Construiu areômetros e deu forma definitiva ao termômetro de álcool e depois ao de mercúrio; para o último, concebeu a graduação que conservou seu nome. A escala de temperatura Fahrenheit ainda é utilizada nos países anglo-saxões. Quando Fahrenheit construiu seu primeiro termômetro, ele usou álcool. Depois ele passou a usar mercúrio, obtendo melhores resultados.

Após examinar todos os termômetros, barômetros, higrômetros e aerômetros a que teve acesso, decidiu aperfeiçoar as técnicas de fabricação desses instrumentos, com o objetivo de obter leituras mais precisas. Suas pesquisas sobre as possíveis causas dos resultados divergentes apresentados pelos aparelhos conduziram-no a muitas descobertas importantes. Sua contribuição mais importante, porém, foi a substituição do álcool pelo mercúrio na confecção dos aparelhos.

Daniel Gabriel Fahrenheit Biografia, descobertas

Fahrenheit criou uma nova escala termométrica, cujo ponto mínimo (0° F) determinou utilizando uma mistura de água, gelo pilado, sal e amônia. O ponto máximo é o da ebulição da água, 212° F, e a temperatura de fusão do gelo, à pressão de uma atmosfera, corresponde a 32° F. Fahrenheit prosseguiu suas pesquisas nos Países Baixos até a morte, em Haia, em 16 de setembro de 1736. Fahrenheit fez muitas descobertas, mas não se tornou conhecido em todo o mundo por suas pesquisas e sim pela escala termométrica batizada com seu nome.

Temperatura

Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas, as moléculas, que estão em contínuo movimento.

Quanto mais rápido o movimento das moléculas mais quente o corpo e quanto mais lento mais frio.

Calor

“O Calor consiste no movimento das partículas de um corpo” – Isaac Newton

É a energia cinética das moléculas, energia em trânsito.

Equilíbrio Térmico

Do maior potencial ao menor. Ausência de troca de energia entre os corpos.

Quanto maior a temperatura de um corpo, maior a vibração das moléculas.

Sólido

Nos sólidos, as moléculas vibram em torno de posições fixas.

Líquido

Nos líquidos as moléculas vibram, mas mudam constantemente de posições.

Gás

No gás, as moléculas movem-se livremente a grande velocidade e sem nenhuma ordem.

MODOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR

É DEFINIDA COMO A ENERGIA DE UMA REGIÃO A OUTRA, SENDO A DIFERENÇA DE POTENCIAL TÉRMICO ENTRE ELAS.

Se um bloco quente de cobre é colocado num recipiente com água fria, observa‑se que o cobre esfria e a água se aquece, até que seja atingido o equilíbrio de temperatura.

Os aumentos da temperatura da água e queda da temperatura do cobre são devidos a passagem de uma forma de energia do cobre para a água. Dessa energia chega‑se ao conceito de calor.

“O CALOR é definido como sendo a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema, em virtude da diferença de temperatura”.

A transmissão de calor por definição é a transmissão de energia de uma região a outra, como resultado da diferença de temperatura entre elas.

Como existem diferenças de temperaturas em todo o universo, os fenômenos de fluxo de calor são tão universais quanto os associados às atrações gravitacionais.

Ao contrário da gravidade, entretanto, o fluxo de calor não é governado por uma única relação, mas por uma combinação de várias leis da física.

Temos três modos distintos de transmissão de calor: CONDUÇÃO, RADIAÇÃO e CONVECÇÃO.

CONDUÇÃO

A condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra mais baixa, dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato físico direto.

No fluxo de calor por condução a energia é transmitida por meio de comunicação molecular direta, sem apreciável deslocamento das moléculas.

RADIAÇÃO

A radiação ou calor radiante é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa quando eles estão separados no espaço, ainda que exista um vácuo entre eles.

O CALOR RADIANTE, NO VÁCUO, ATINGE A VELOCIDADE DA LUZ DE 300 mil km/s.

O termo radiação é em geral aplicado para todas as espécies de fenômenos de ondas eletromagnéticas. Na transmissão de calor, são de interesse apenas os fenômenos que resultam da diferença de temperatura e podem transportar energia através de um meio onde exista o vácuo ou através do espaço.

Essa energia é o Calor Radiante.

Todos os corpos emitem calor radiante de modo constante. A intensidade das emissões depende da temperatura e da natureza da superfície.

A energia radiante tem a velocidade da luz (300 mil km/s) como à radiação da luz.

De fato, de acordo com a teoria eletromagnética, a luz e a radiação térmica diferem apenas nos comprimentos de onda.

O calor radiante irradia de um corpo na forma de impulsos ou “quantum” de energia.

CONVECÇÃO

A convecção é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de troca de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás.

DILATAÇÃO TÉRMICA DOS CORPOS

De um modo geral, quando aumenta a temperatura de um corpo (sólido ou líquido), aumenta também a agitação das partículas que formam esse corpo.

Isso causa um aumento da distância entre as partículas, e assim um aumento nas dimensões do corpo (dilatação térmica).

Por outro lado, uma diminuição na temperatura de um corpo acarreta uma redução em suas dimensões.

Na construção civil, por exemplo, para prevenir possíveis trincas e rupturas por causa da dilatação térmica dos materiais, utilizam-se as ” folgas”, chamados de juntos de dilatação.

De maneira geral, os líquidos dilatam-se sempre mais que os sólidos ao serem igualmente aquecidos.

Dilatação Linear

Embora a dilatação de um sólido ocorra em todas as dimensões, pode predominar a dilatação de apenas uma das suas dimensões sobre as demais.

Ou, ainda, podemos estar interessados em uma única dimensão do sólido.

Superficial

É a variação da área de uma placa quando submetida a uma variação de temperatura.

Volumétrica

Vamos considerar a variação de volume, isto é, a dilatação nas três dimensões do sólido (comprimento, largura e altura).

DILATAÇÃO DA ÁGUA

A dilatação de um sólido com o aumento de temperatura ocorre porque com o aumento da energia térmica aumentam as vibrações dos átomos e moléculas que formam o corpo, fazendo com que passem para posições de equilíbrio mais afastadas que as originais.

OBS.: Na água ocorre fenômeno inverso de 0 a 4ºC. Portanto para dada massa de água, a 4ºC ela apresenta um volume mínimo. Um ponto muito importante é que a densidade é a relação entre a massa e seu volume (d = m/v), e assim concluímos que a 4ºC a água apresenta densidade máxima.

O comportamento da água explicam por que, nas regiões de clima muito frio, os lagos chegam a ter suas superfícies congeladas, enquanto no fundo a água permanece líquida a 4ºC. Como a 4ºC água tem densidade máxima, ela permanece no fundo não havendo nenhuma chance de se estabelecer o equilíbrio térmico por diferença de densidade.

DILATAÇÃO DE CORPOS “OCOS”

“Corpos ocos se dilatam como se não fossem ocos.”

Exemplos:

a) Um anel de aço, ao se dilatar, comporta-se como um disco de aço.

b) Um furo em uma chapa de ferro se dilata, quando aquecido, como se fosse feito de ferro .

c) Quando aquecido um cubo oco de cobre se dilata como um sólido.

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