quarta-feira, 19 de março de 2008

EQUILÍBRIO TÉRMICO E TEMPERATURA (2 ANO)


As manchas solares aparecem na superfície do Sol quando correntes de gás saem lentamente das profundezas do planeta. Uma "flor solar" pode ter cerca de 16100 km. A parte central de uma mancha solar é mais fria do que as regiões externas indicadas pelas regiões mais escuras. A temperatura no centro do Sol é da ordem de 10000000 (dez milhões) de graus Celsius! Enquanto que na superfície atinge apenas cerca de 5700 graus Celsius.




A luminosidade uma mancha solar é cegante, contudo o contraste causado com as regiões vizinhas que se encontram a temperaturas mais elevadas faz com que elas sejam visíveis na forma de manchas. Se elas fossem observadas isoladamente, veríamos que a luminosidade delas é mais forte que a de um arco elétrico (a luz que é emitida quando soldamos uma peça metálica). Observe na figura acima a comparação do tamanho de uma delas com o tamanho da Terra.

1 - Equilíbrio Térmico e temperaturaO nosso sentido de tato pode nos dizer se um objeto está quente ou frio. Desde criança, sabemos que para aquecer um objeto frio, basta colocá-lo em contato com um objeto quente. E para esfriar um objeto quente, basta colocá-lo em contato com um objeto frio. Por exemplo: Ao passar roupa, o ferro (mais quente) esquenta a fazenda que está fria. O gelo (frio) esfria a cerveja que está quente.

Quando um objeto é aquecido ou esfriado, algumas de suas propriedades físicas mudam. Por exemplo: muitos sólidos e líquidos se expandem ao serem aquecidos (chapas de aço, o leite fervido, etc).

Um gás também irá se expandir se for aquecido, porém se impedido de se expandir, a sua pressão aumentará.
Uma propriedade física que muda com a temperatura é chamada de propriedade termométrica. Uma mudança da propriedade termométrica indica uma mudança de temperatura do objeto.

Imaginemos agora um pedaço de alumínio (Al é o mesmo material das panelas) quente em contato com um pedaço frio de ferro (Fe), de maneira que o pedaço de Al esfrie e o pedaço de Fe esquente. Esta situação é chamada de CONTATO TÉRMICO. Na figura abaixo, o Al é o bloco da esquerda.
Durante o contato térmico, ao se esfriar, o pedaço de Al se contrai (diminui de tamanho) de forma imperceptível, enquanto que o pedaço de Fe se expande (aumenta de tamanho) também de maneira imperceptível. É claro que esta situação não dura para sempre. Chega um momento que o processo pára e o tamanho dos pedaços permanece o mesmo. As duas barras estão então em EQUILÍBRIO TÉRMICO uma com a outra.



Durante o contato térmico o Al foi esfriando à proporção que o Fe foi esquentando até que atingiram o equilíbrio térmico, ou seja, ficaram com a MESMA TEMPERATURA.



2 - Escalas Termométricas.

Qualquer propriedade termométrica pode ser utilizada para construir uma escala de temperatura.
O termômetro comum de mercúrio (Hg) consiste de um bulbo de vidro e um tubo (capilar) contendo Hg (veja a figura abaixo).

Quando este termômetro é colocado em contato com um corpo aquecido, o Hg se expande aumentado o tamanho da coluna de Hg.




Podemos criar uma escala da seguinte maneira:

Primeiro colocamos o termômetro dentro de um recipiente com água e gelo em equilíbrio térmico. Quando o termômetro ficar em equilíbrio térmico com a água com gelo, fazemos uma marca no tubo de vidro. O recipiente com água e gelo indica o ponto de fusão do gelo (ponto de gelo).

Em seguida, colocamos o termômetro em um recipiente com água fervendo e deixamos novamente que o termômetro fique em equilíbrio térmico com a água fervendo e fazemos uma nova marca no tubo de vidro. Este é o ponto de ebulição da água (ponto de vapor).

a - Escalas Termométricas

Estudaremos as três escalas mais comuns: A Celsius, a Fahrenheit e a escala Kelvin. Como foi dito acima, as escalas têm em comum as marcas de ponto de gelo e de vapor contudo cada uma delas possui valores numéricos diferentes para indicar estes pontos. Observe na ilustração a seguir:


Observe que temos 212, 100 e 373 para os pontos de vapor das escalas Fahrenheit, Celsius e Kelvin, respectivamente. E 32, 0 e 273 para o ponto de gelo.

b - Escala Celsius de Temperatura.



A Escala Celsius construída em 1742, pelo físico e astrônomo sueco Anders Celsius, que adotou para o ponto de fusão de gelo o valor 0 (zero) e para o ponto de ebulição da água o valor 100 (cem). Dividiu o intervalo obtido entre os pontos fixos em cem partes iguais, em que cada parte corresponde a uma unidade da escala e foi denominada de grau Celsius, cujo símbolo é o °C. Como o intervalo entre os pontos fixos dessa escala foi dividido em cem partes iguais, ela recebeu o nome de escala centesimal e, atualmente, a Escala Celsius é a mais utilizada em todo o mundo.


Nessa escala temos 00 C (lê-se zero graus Celsius) para ponto de fusão do gelo e 1000 C para o ponto de ebulição da água. O espaço compreendido entre as marcas 00 C e 1000 C é dividido em 100 partes iguais a 10 C.

c - Escala Fahrenheit de temperatura.


A Escala Fahrenheit foi construída, em 1727, pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit, que adotou o valor 0 (zero) para a mistura: água, gelo picado e sal; e o valor 100 para a temperatura do corpo humano. Dividiu-se o intervalo entre esses pontos fixos em 100 partes iguais e cada parte recebeu o nome de grau Fahrenheit, cujo símbolo é °F.


Ao compararmos os pontos fixos escolhidos por Fahrenheit e Celsius, temos para o ponto de fusão do gelo (00 C), sob pressão de 1 atmosfera, o valor 32 °F e para o ponto de vapor da água (1000 C), também sob pressão de 1 atmosfera, o valor 212 °F; o intervalo dividido em 100 partes iguais pelo sueco (Celsius) é dividido em 180 partes iguais


Esta escala é muito utilizada em países de língua inglesa. Nela o ponto de gelo corresponde a 320 F e o ponto de vapor, a 2120 F. esta escala é dividida em 180 partes iguais.


c - Escala Kelvin de temperatura.


1848 – Lord Kelvin baseado na definição termodinâmica de temperatura (grau de agitação das moléculas de um corpo) cria uma escala científica que estabelece o zero absoluto como o mais baixo valor de temperatura que um corpo pode atingir (- 273,15 0 C).


Na escala Kelvin, o ponto de fusão do gelo (0 0C) corresponde a 273 K e o ponto de ebulição da água (100 0C), a 373 K.

Também conhecida como escala absoluta surgiu para medir as temperaturas máxima e mínima que um corpo pode atingir. Nela, o ponto de gelo corresponde a 273 K (lê-se 273 Kelvins) e o de vapor a 373 K. O zero dessa escala é chamado ZERO ABSOLUTO e indica a menor temperatura possível que um corpo pode atingir.
Na escala Kelvin não se usa o termo “graus”, assim 2 K (lê-se “2 Kelvins” e não “dois graus kelvins”).
Esta é a escala adotada pelo SI.


d - Relação matemática entre as escalas.

Como os pontos de gelo e vapor são os mesmos a cada uma das escalas, podemos desenhar o esqueminha abaixo:



Vamos imaginar que em uma sala encontram-se os três termômetros acima: Um na escala Celsius, outro na escala Fahrenheit e o terceiro, na Kelvin.

Como a temperatura na sala é uma só, o Hg sofrerá a mesma expansão em todos os termômetros, ainda que cada termômetro tenha uma marcação diferente. Ou seja, cada termômetro associará à temperatura da sala o valor numérico correspondente a sua escala.

A partir desse raciocínio podemos escrever a relação matemática abaixo (veremos em maiores detalhes na sala de aula).

Então:




f - Historinha das escalas termométricas





e - Comentários.


É errado dizer que a temperatura serve para medir o calor de um corpo.
acabamos de ver que a temperatura é um número usado para indicar o estado de quente ou de frio de um corpo. A expressão "calor do corpo" não tem significado físico.

Uma maneira correta de definir temperatura seria dizer que ela é uma medida da maior ou menor agitação das moléculas ou átomos de um corpo.

Por exemplo, ao aquecermos um gás (oxigênio) mais seus átomos ficarão agitados. Se diminuirmos a temperatura, a agitação dos átomos diminui.

Agitação está ligada a ENERGIA CINÉTICA (Ec) dos átomos, logo maior agitação, maior Ec e menor agitação, menor Ec.

O ZERO ABSOLUTO corresponde a uma situação de Ec mínima dos átomos e moléculas de um corpo.

As animações abaixo ilustram o movimento vibratório das moléculas. Assim, quanto maior a agitação das moléculas, maior é a temperatura. Quanto menor a agitação, menor a temperatura.

Movimento das moléculas do CO2 (gás da garrafa de coca cola)




Proteína Alfa, sintetizada pelo fígado humano.

FIM