Aula 1 – Calor e Temperatura

Física está presente no nosso dia a dia e explica muitas coisas que nos acontecem, como, por exemplo, a sensação de um piso de cerâmica ser mais quente do que um de madeira, mesmo os dois estando em uma mesma temperatura.

Quando o assunto é temperatura, esse conceito faz parte da termologia, junto ao calor, à energia térmica e às escalas de temperatura, são conceitos fundamentais na termologia (Termofísica) os quais, são considerados sinônimos.

No entanto, o calor designa a troca de energia entre corpos, enquanto que a temperatura caracteriza a agitação das moléculas de um corpo.

Calor

O calor (energia calorífica) é caracterizado pela transferência de energia térmica que flui de um corpo (com maior temperatura) ao outro (de menor temperatura) quando há diferença de temperatura entre ambos.

Todo corpo é composto por átomos e moléculas que estão em permanente agitação. Podemos dividir essa agitação em três tipos: vibração, rotação e translação.

Sendo assim, a energia térmica é a soma das agitações das partículas de um determinado corpo. Por exemplo, quando um pedaço de ferro ou a água de um copo estão quentes, significa que há muita energia térmica. Isso porque as partículas dos dois exemplos estão bem agitadas.

Mas saiba que apenas o movimento de translação é que determina o quão quente ou frio está um corpo. Isso pode ser percebido na forma com que o forno de micro-ondas esquenta ou cozinha a comida.

Quando o forno é ligado, as micro-ondas chegam até a comida, fazendo com que as moléculas, principalmente as de água, oscilem invertendo sua rotação de um sentido para o outro. Porém, não é isso que faz a comida cozinhar ou esquentar.

O que eleva a temperatura é o fato de que, ao ficarem invertendo sua rotação, umas podem bater nas outras, fazendo com que elas comecem a ricochetear. Com esse último movimento, conhecido como energia cinética de translação, é que a comida sai quentinha de dentro do micro-ondas.

Então, considerando uma pedra de gelo que está a 0 ºC e uma xícara de chá que está a 24 ºC, em qual dos dois exemplos as partículas estão com mais energia térmica? Se você disse que é a xícara de chá, acertou.

Mas saiba que nosso tato não é tão confiável para fazer a medição de temperaturas.

Em um dia frio, quando colocamos um pé no piso de cerâmica e o outro pé em um assoalho de madeira, estando os dois com mesma temperatura, a sensação é de que o primeiro está mais frio do que o segundo. Isso acontece porque a madeira é um mau condutor de calor, diferentemente do piso de cerâmica.

Dessa forma, o equilíbrio térmico ocorre quando os dois corpos, por meio da transferência de calor, atingem a mesma temperatura.

propagação de calor pode ocorrer de três maneiras, a saber: conduçãoconvecção e irradiação.

Na condução térmica, a transferência de calor é dada pela agitação das moléculas, por exemplo, ao segurar uma barra de ferro e aquecer a outra extremidade, em pouco tempo, a barra inteira se aquecerá.

É a transferência de energia ou calor nos condutores. Essa transferência ocorre através das vibrações atômicas

Na convecção térmica, a transferência de calor ocorre entre líquidos e gases; é o que acontece com o aquecimento de água numa panela, donde criam-se “correntes de convecção” e a água que está próxima do fogo sobe, enquanto a que está fria desce.

Por fim, na irradiação térmica,é a transferência de calor por meio de ondas ondas eletromagnéticas, muitas vezes chamadas de radiação térmica, sem que seja necessário o contato entre os corpos.

Note que, no Sistema Internacional de Unidades (SI) o calor é medido em calorias (cal) ou joules (J).

• Calor: energia em movimento devido à diferença de temperatura

• Calor é uma forma de energia

• Unidade física: calorias (cal) ou Joules (J)

•1 Kcal = 1.000 cal •1 cal = 4,2 J

Condutores e isolantes térmicos

MateriaisCoeficiente de condutividade térmica (cal/s.cm./C) (20°C)
Prata0,99
Alumínio0,50
Ferro0,16
Água0,0014
Areia0,000067
Ar seco0,000061
Cobre0,920
Vidro0,0015
0,00009
Concreto0,0020
Madeira0,000002

Fontes e sistemas térmicos

Fontes de calor:

•Estrelas, vela, interior da Terra, fogo, combustão de materiais inflamáveis, radiação. Sistemas térmicos – máquinas térmicas: sistemas naturais e artificiais

Temperatura

temperatura, por sua vez, é uma grandeza física a qual designa a energia cinética (movimento ou agitação) das moléculas e o estado térmico de um corpo (quente ou frio).

Quanto mais quente (alta temperatura) se apresenta o corpo, maior será sua energia cinética, ou seja, a agitação moléculas; e, quanto mais frio (baixa temperatura), menor será a agitação molecular.

No Sistema Internacional de Unidades (SI) a temperatura pode ser medida em Celsius (°C), Kelvin (K) ou Fahrenheit (°F).

No Brasil, a escala de temperatura utilizada é Celsius, cujo ponto de fusão da água apresenta o valor 0° e o ponto de ebulição 100°.

Termometria: (medir a temperatura)

sensação térmica que sentimos ao tocar um corpo qualquer constitui um critério impreciso para a medida da temperatura.

O termômetro é um sistema auxiliar que possibilita avaliar a temperatura de modo indireto.

Substância termométrica: substância que apresenta uma propriedade cuja medida varia com a temperatura.

No termômetro de mercúrio a substância termométrica é o mercúrio; a altura da coluna de mercúrio é a grandeza termométrica desse termômetro.

Função termométrica de um termômetro é a fórmula que relaciona os valores da grandeza termométrica com os valores da temperatura.

Pontos fixos: são temperaturas invariáveis no decorrer do tempo, medidas em sistemas que podem ser reproduzidos facilmente quando necessário.

Usualmente são escolhidos os seguintes pontos fixos:

Ponto de gelo: temperatura de fusão do gelo sob pressão normal
(1 atm).
Ponto de vapor: temperatura de ebulição da água sob pressão normal
(1 atm).

As escalas Celsius e Fahrenheit

Na escala Celsius, adotam-se os valores 0 ºC e 100 ºC para o ponto de gelo e para o ponto de vapor, respectivamente.

Na escala Fahrenheit, adotam-se os valores 32 ºF e 212 ºF para o ponto de gelo e para o ponto de vapor, respectivamente.

Conversão entre a temperatura Celsius (θC) e a temperatura Fahrenheit (θF)

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Simplificando, resulta:

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Relação entre a variação de temperatura na escala Celsius (ΔθC) e na escala Fahrenheit (ΔθF)

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A escala absoluta Kelvin

escala absoluta Kelvin adota a origem no zero absoluto, estado térmico em que cessaria a agitação térmica. Sua unidade (kelvin: K) tem extensão igual à do grau Celsius (ºC).

Relação entre a temperatura Kelvin (T) e a Celsius (θC)

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Simplificando, resulta:

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Relação entre as variações de temperatura

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Exercícios básicos

Exercício 1:
Ao tomar a temperatura de uma criança que está febril, a mãe utiliza um termômetro clínico graduado na escala Fahrenheit e anota a temperatura de 101,3 ºF. Qual é o valor da correspondente temperatura na escala Celsius.

Resolução:

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Exercício 2:
Retome a situação descrita na questão anterior. Após medicar seu filho, decorrido certo tempo a mãe efetua uma nova medida da temperatura. Ela nota que houve uma redução de 2,7 ºF. Qual é a correspondente redução de temperatura na escala Celsius?

Resolução:

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Exercício 3:
Dois termômetros, um graduado na escala Celsius e outro na escala Fahrenheit, estão em equilíbrio térmico com um certo líquido. A temperatura indicada pelo termômetro graduado na escala Fahrenheit é dada por um número igual ao dobro daquele indicado pelo termômetro graduado na escala Celsius. Qual é esta temperatura na escala Celsius?

Resolução:

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Exercício 4:
Retome a situação descrita na questão anterior. O líquido no qual os termômetros estão imersos é gradativamente resfriado até uma temperatura para a qual os dois termômetros indicam o mesmo valor. Qual é a temperatura em questão?

Resolução:

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Exercício 5:
Pedro é um aluno que está iniciando o segundo ano do ensino médio. O professor Adalberto pede para que ele invente uma escala termométrica, medida em graus Pedro (ºP). Para isso Pedro atribui ao ponto do gelo a temperatura 10 ºP e para o ponto do vapor 90 ºP. Qual é a relação entre a temperatura na escala Celsius (θC) e a temperatura na escala Pedro (θP)?

Resolução:

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Exercícios de Revisão

Revisão/Ex 1:
(UEMA)
O astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744), para calibrar sua escala termométrica, adotou os dois pontos fixos como sendo os pontos de fusão e ebulição da água à pressão atmosférica de 1atm. Para as mesmas condições, o alemão Daniel Fahrenheit (1686-1736) adotou os seguintes valores:

a) 32 e 212
b) 0 e 32
c) 0 e 100
d) 100 e 212
e) 32 e 100

Resolução:

resolução

Na escala Fahrenheit ao ponto do gelo corresponde a temperatura de 32°F e ao ponto do vapor, 212°F.

Resposta: a

Revisão/Ex 2:

(ETEC-SP)
Em algumas cidades brasileiras encontramos, em vias de grande circulação, termômetros que indicam a temperatura local medida na escala Celsius.
Por causa dos jogos da Copa, no Brasil, os termômetros deverão passar por modificações que permitam a informação da temperatura também na escala Fahrenheit, utilizada por alguns países. Portanto, após essa adaptação, um desses termômetros que indique, por exemplo, 25 ºC, também apontará a temperatura de

(A) 44 ºF.
(B) 58 ºF.
(C) 64 ºF.
(D) 77 ºF.
(E) 86 ºF.

Resolução:  resolução

θC/5 = (θF-32)/9 => 25/5 = (θF-32)/9 => θF = 77 ºF


Revisão/Ex 3:
(PUC-PR)
O clima em Curitiba é caracterizado pelas altas variações de temperatura em um mesmo dia. Segundo dados do Simepar (www.simepar.br), ao final do inverno de 2011, os termômetros chegaram a marcar 8,00ºC e 25,0ºC em um período de 24h. Determine essa variação de temperatura na escala Fahrenheit. Dados: ponto de fusão do gelo: 32ºF, ponto de ebulição da água: 212ºF.

A) 17,0ºF
B) 30,6ºF
C) 62,6ºF
D) 20,0ºF
E) 16,5ºF

Resolução:  resolução

ΔθC/5 = ΔθF/9 => (25,0-8,00)/5 = ΔθF/9 => ΔθF = 30,6ºF


Revisão/Ex 4:
(IJSO)
O físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) construiu seus próprios termômetros e em 1714 passou a usar o mercúrio como substância termométrica. A escala que leva seu nome foi criada em 1724, adotando como “zero” uma mistura de gelo, água e sal de amônia e 96 para a temperatura do corpo humano. Posteriormente fez ajustes em sua escala, atribuindo os valores 32 e 212, respectivamente, para os pontos de congelamento e ebulição da água, sob pressão normal. Medidas mais precisas indicam que a temperatura média do corpo humano é da ordem de 98,6 ºF.
As temperaturas de 0 ºF e 98,6 ºF correspondem, respectivamente, nas escalas Celsius e Kelvin aos valores:

a) -17,8ºC e 310K
b) -17,8ºC e 371,6K
c) -32ºC e 273K
d) 0ºC e 318,6K
e) 8ºC e 37K

Resolução:

resolução

θC/5 = (θF – 32)/9 => θC/5 = (0 – 32)/9 => θC ≅ -17,8ºC
θC/5 = (θF – 32)/9 => θC/5 = (98,6 – 32)/9 => θC = 37ºC
T = θC + 273 => T = 37 + 273 => T = 310K

Resposta: a

Revisão/Ex 5:
(U. Mackenzie-SP)
A diferença entre as temperaturas de ebulição do álcool etílico e do éter etílico, sob pressão de 1 atm é 78,0ºF. Sabendo-se que a temperatura de ebulição desse éter é 35,0ºC, conclui-se que a temperatura de ebulição desse álcool é

a) 8,3ºC          b) 35,3ºC          c) 43,3ºC          d) 78,3ºC         e) 105,4ºC

Resolução:

ΔθF = θálcool – θéter = 78,0 ºF
ΔθC/5 = 78,0/9 => ΔθC ≅ 43,3 ºC => θálcool – 35,0 = 43,3 => 
θálcool = 78,3 ºC.
 

Para medir a temperatura é necessário um aparelho chamado termômetro (feito de mercúrio), cujo valor da pode ser apresentado nas escalas: Celsius (°C), kelvin (K) ou Fahrenheit (°F).

Para tanto, na escala Kelvin o valor do ponto de fusão da água é de 273K (0°C) e o ponto de ebulição de 373K (100°C).

Na escala Fahrenheit, o ponto de fusão da água é de 32 °F (0 °C) enquanto que o ponto de ebulição da água é de 212 °F (100 °C).

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Sobre bbraga

Atuo como professor de química, em colégios e cursinhos pré-vestibulares. Ministro aulas de Processos Químicos Industrial, Química Ambiental, Corrosão, Química Geral, Matemática e Física. Escolaridade; Pós Graduação, FUNESP. Licenciatura Plena em Química, UMC. Técnico em Química, Liceu Brás Cubas. Cursos Extracurriculares; Curso Rotativo de química, SENAI. Operador de Processo Químico, SENAI. Curso de Proteção Radiológica, SENAI. Busco ministrar aulas dinâmicas e interativas com a utilização de Experimentos, Tecnologias de informação e Comunicação estreitando cada vez mais a relação do aluno com o cotidiano.

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