Temperatura e escalas termométricas
Em um dia de inverno em Porto Alegre, o termômetro de rua marca 5 °C. Em Manaus, no mesmo dia, marca 33 °C. E se um amigo americano disser que lá faz 41 °F, é frio ou calor? Para responder, precisamos entender o que a temperatura mede de verdade e como as escalas se relacionam.
Temperatura e calor não são a mesma coisa
Toda matéria é feita de partículas (átomos e moléculas) que estão sempre em movimento. Quanto mais agitadas, maior a energia cinética delas.
Um corpo não "tem" calor: ele tem temperatura e energia térmica. O calor é o nome da energia enquanto ela está passando de um corpo para outro.
Quando dois corpos com temperaturas diferentes ficam em contato, há fluxo de calor até que as temperaturas se igualem. Esse estado é o equilíbrio térmico. É isso que permite o termômetro funcionar: ele troca calor com você até entrar em equilíbrio e então a leitura é a temperatura do seu corpo.
Ana disse à turma: "Estou com muito calor, então minha temperatura é alta." Em uma ou duas frases, explique a diferença entre os conceitos físicos de calor e de…
Ana disse à turma: "Estou com muito calor, então minha temperatura é alta." Em uma ou duas frases, explique a diferença entre os conceitos físicos de calor e de temperatura e diga qual deles está mais relacionado à agitação média das partículas de um corpo.
As escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin
Para medir temperatura, escolhemos dois fenômenos fáceis de reproduzir, os pontos fixos: a fusão do gelo e a ebulição da água, ambos ao nível do mar (pressão de 1 atm). Cada escala atribui valores diferentes a eles.
| Ponto fixo | Celsius (°C) | Fahrenheit (°F) | Kelvin (K) |
|---|---|---|---|
| Fusão do gelo | 0 | 32 | 273 |
| Ebulição da água | 100 | 212 | 373 |
A escala Celsius tem 100 divisões entre os pontos fixos; a Fahrenheit, 180. Por isso um grau Celsius é maior que um grau Fahrenheit: $1\,^\circ\text{C} = 1{,}8\,^\circ\text{F}$ em tamanho.
O zero absoluto (0 K) é o limite em que a agitação das partículas seria mínima. Não existe temperatura menor. A escala Kelvin parte dele, por isso não tem valores negativos.
Conversões
Por quê? Entre os pontos fixos, Celsius percorre 100 divisões e Fahrenheit 180. Uma leitura fica na mesma fração do intervalo nas duas escalas: $\frac{T_C - 0}{100} = \frac{T_F - 32}{180}$. Simplificando por 20, obtemos a relação acima.
O mesmo método vale para qualquer escala: monte a razão (leitura − ponto inferior) / (ponto superior − ponto inferior) nas duas escalas e iguale.
Em um dia de inverno em Porto Alegre, o termômetro de rua marcou $5\,^\circ\text{C}$. Converta essa temperatura para a escala Kelvin e escreva o resultado com a unidade…
Em um dia de inverno em Porto Alegre, o termômetro de rua marcou $5\,^\circ\text{C}$. Converta essa temperatura para a escala Kelvin e escreva o resultado com a unidade correta.
Um termômetro de uma cozinha, usado para fazer doces, marca $212\,^\circ\text{F}$ quando colocado em água fervendo ao nível do mar. Usando a relação entre as escalas…
Um termômetro de uma cozinha, usado para fazer doces, marca $212\,^\circ\text{F}$ quando colocado em água fervendo ao nível do mar. Usando a relação entre as escalas Fahrenheit e Celsius, determine a que temperatura em graus Celsius corresponde essa leitura.
Uma criança com febre tem a temperatura medida por um termômetro de mercúrio em Celsius: $38{,}5\,^\circ\text{C}$. Os pais, que moram nos Estados Unidos por uma…
Uma criança com febre tem a temperatura medida por um termômetro de mercúrio em Celsius: $38{,}5\,^\circ\text{C}$. Os pais, que moram nos Estados Unidos por uma temporada, só entendem a escala Fahrenheit. Calcule a temperatura em $^\circ\text{F}$ e, usando a relação de conversão para Kelvin, indique também o valor em K.
Em uma aula de laboratório, Lucas e Júlia constroem um termômetro próprio, chamado escala X. Eles marcam $10\,^\circ\text{X}$ para o ponto de fusão do gelo e…
Em uma aula de laboratório, Lucas e Júlia constroem um termômetro próprio, chamado escala X. Eles marcam $10\,^\circ\text{X}$ para o ponto de fusão do gelo e $70\,^\circ\text{X}$ para o ponto de ebulição da água, ambos ao nível do mar. Determine a equação de conversão entre a escala X e a escala Celsius e calcule a leitura em $^\circ\text{X}$ de um líquido que está a $40\,^\circ\text{C}$.
Existe uma temperatura em que as leituras nas escalas Celsius e Fahrenheit são numericamente iguais. Escreva a equação que relaciona as duas escalas, determine essa…
Existe uma temperatura em que as leituras nas escalas Celsius e Fahrenheit são numericamente iguais. Escreva a equação que relaciona as duas escalas, determine essa temperatura e verifique o resultado convertendo o valor encontrado para Kelvin.
Variação de temperatura
Muitas vezes o que importa não é a temperatura em si, mas quanto ela mudou: $\Delta T = T_{final} - T_{inicial}$.
Como 1 K tem o mesmo tamanho que 1 °C (as duas escalas têm 100 divisões entre os pontos fixos), e o tamanho do grau Fahrenheit é 1/1,8 do Celsius:
Atenção: essas relações valem para variações. Para valores de temperatura, use as fórmulas da seção anterior. Para variações, o "+273" e o "−32" se cancelam na subtração.
Durante uma variação de temperatura, um corpo passa de $20\,^\circ\text{C}$ para $50\,^\circ\text{C}$. Calcule essa variação de temperatura em Celsius, em Kelvin e em…
Durante uma variação de temperatura, um corpo passa de $20\,^\circ\text{C}$ para $50\,^\circ\text{C}$. Calcule essa variação de temperatura em Celsius, em Kelvin e em Fahrenheit. Em seguida, explique por que a variação em Celsius e em Kelvin é a mesma, mas a variação em Fahrenheit é diferente.
Um estudante afirma: "Se a temperatura de uma sala dobra de $10\,^\circ\text{C}$ para $20\,^\circ\text{C}$, a energia térmica das moléculas do ar também dobra." Analise…
Um estudante afirma: "Se a temperatura de uma sala dobra de $10\,^\circ\text{C}$ para $20\,^\circ\text{C}$, a energia térmica das moléculas do ar também dobra." Analise essa afirmação, convertendo as temperaturas para Kelvin e considerando que a energia cinética média das partículas é proporcional à temperatura absoluta. Calcule a razão entre as temperaturas absolutas e conclua se a afirmação está correta, justificando.
Volte ao começo: em Porto Alegre, 5 °C são 278 K e 41 °F. O amigo americano, com 41 °F, está sentindo o mesmo frio que os gaúchos.