Temperatura

Água congela a 0 ° C. O gelo que aparece aqui é de -17 ° C.

A Temperatura é um parâmetro físico (uma função de estado) descritivo de um sistema que vulgarmente se associa às noções de frio e calor, bem como às transferências de energia térmica, mas que se poderia definir, mais exatamente, sob um ponto de vista microscópico, como a medida da energia cinética associada ao movimento (vibração) aleatório das partículas que compõem o um dado sistema físico.

A diferença de temperatura permite a transferência da energia térmica, ou calor, entre dois ou mais sistemas. Quando dois sistemas estão na mesma temperatura, eles estão em equilíbrio térmico e não há transferência de calor. Quando existe uma diferença de temperatura, o calor é transferido do sistema de temperatura maior para o sistema de temperatura menor até atingir um novo equilíbrio térmico. Esta transferência de calor pode acontecer por condução, convecção ou radiação (veja calor para obter mais detalhes sobre os diversos mecanismos de transferência de calor). As propriedades precisas da temperatura são estudadas em termodinâmica. A temperatura tem também um papel importante em muitos campos da ciência, entre outros a física, a química e a biologia.

A temperatura é diretamente proporcional à quantidade de energia térmica num sistema. Quanto mais energia térmica se junta a um sistema, mais a sua temperatura aumenta. Ao contrário, uma perda de calor provoca um abaixamento da temperatura do sistema. Na escala microscópica, este calor corresponde à transmissão da agitação térmica entre átomos e moléculas no sistema. Assim, uma elevação de temperatura corresponde a um aumento da velocidade de agitação térmica dos átomos.

Muitas propriedades físicas da matéria como as suas fases ( estado sólido, líquido, gasoso, plasma ou condensado de Bose-Einstein), a densidade,a solubilidade, a pressão de vapor e a condutibilidade elétrica dependem da temperatura. A temperatura tem também um papel importante no valor da velocidade das reações químicas. É por isso que o corpo humano possui alguns mecanismos para manter a temperatura a 37°C, visto que uma temperatura um pouco maior pode resultar em reações nocivas à saúde, com conseqüências sérias. A temperatura controla também o tipo e a quantidade de radiações térmicas emitidas pela área. Uma aplicação deste efeito é a lâmpada incandescente, em que o filamento de tungstênio é aquecido eletricamente até uma temperatura onde uma quantidade notável de luz visível é emitida.

A temperatura é uma propriedade intensiva de um sistema, o que significa que ela não depende do tamanho ou da quantidade de matéria no sistema. Outras propriedades intensivas são a pressão e a densidade. Ao contrário, massa e volume são propriedades extensivas e dependem da quantidade de material no sistema.

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Distribuição da temperatura

Em todo ambiente é preciso considerar a temperatura externa. No ambiente aquático, a temperatura não desce abaixo do ponto de congelação em condições naturais. Portanto, isto significa que a temperatura da água não é nunca inferior a 0ºC e nos oceanos nunca desce além de -2,5ºC.

A temperatura aquática varia sempre dentro dos limites de tolerância para muitos animais e vegetais.

Em alguns desertos já se observou 60ºC. Os solos dos mesmos, expostos aos raios solares, chega a 84º. Em águas de fontes termais, como, por ex., os geisers, já se assinalou quase 100º. Em oposição a isso, no Geofísico Internacional, os meteorologistas soviéticos localizaram um ponto a 640 km do Pólo Sul onde registraram -87ºC.

Mudanças de Temperatura

Aparelho atual que consegue medir a temperatura ambiente.

As mudanças de temperatura variam de ciclos da Astronomia e de ciclos climáticos. No ambiente aquático a passagem do sol à sombra origina uma variação inferior a 0,1ºC, até a profundidade de 5 metros. Já na superfície terrestre, há momentos em que a temperatura é 17ºC mais elevada durante o dia do que a noite. Nas regiões de deserto esta diferença pode atingir 40ºC. Algo interessante é o fato que a temperatura varia com a altura. Assim, comprova-se uma diminuição de aproximadamente 1ºC para cada 150 metros que se sobe . o desigual aquecimento horizontal e/ou vertical produz os movimentos da atmosfera que se manifestam por meio dos ventos. O ar aquece em todos os níveis, por causa da radiação solar que absorve e de maneira idêntica pode arrefecer em todos os níveis. Os raios ultravioletas também produzem aquecimento quando absorvidos.

Existe uma camada cuja temperatura não varia: a camada termoclina permanente.

Os fundamentos teóricos da temperatura

Definição da temperatura a partir princípio Zero da termodinâmica

Apesar de todo mundo ter uma compreensão básica do conceito de temperatura, sua definição precisa é um pouco complicada.Se dois sistemas com volumes constantes são postos em contato térmico, as propriedades de ambos os sistemas podem mudar. Estas mudanças são devidas à transferência de calor entre os sistemas. Quando o estado pára de mudar, o sistema está em equilíbrio térmico. Agora, podemos obter a definição da temperatura a partir do princípio da Lei zero da termodinâmica. O princípio zero da termodinâmica diz que se dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico e um terceiro sistema C está em equilíbrio térmico com o sistema A, então os sistemas B e C estão também em equilíbrio.Isso é um fato empírico, baseado mais sobre a observação do que sobre a teoria. Como A, B e C estão todos em equilíbrio térmico, é razoável se pensar que os sistemas têm o valor de uma propriedade em comum. Chamamos esta propriedade de temperatura. Em geral, não é prático pôr dois sistemas em equilibro térmico para verificar se eles estão à mesma temperatura. Também, daria só uma escala ordinal. Por isso, é útil estabelecer uma escala de temperatura baseada nas propriedades de um sistema de referência. Um dispositivo de medição pode ser calibrado com as propriedades do sistema de referência e utilizado, depois, para medir a temperatura do outros sistemas. Um tal sistema de referência é uma quantidade fixa de gases. A lei dos gases perfeitos indica que o produto da pressão pelo volume (P.V) de um gás é diretamente proporcional à temperatura:

$P.V=n.R.T$(1)

onde T é a temperatura, n é o número de mols de gases e R é a constante dos gases perfeitos. Assim, podemos definir uma escala de temperatura baseada sobre o volume e a pressão do gás correspondente. Em prática, um tal termômetro a gás não é muito prático, porém os outros instrumentos podem ser calibrados neste escala. A equação 1 indica que para um volume fixo de gás, a pressão aumenta junto com a temperatura. A pressão é só a medida da força aplicada pelo gás nas paredes do recipiente e é ligada à energia do sistema. Assim, pode-se ver que um aumento da temperatura corresponde a um aumento da energia térmica do sistema. Quando dois sistemas de temperatura diferente são postos em contato térmico, a temperatura do sistema mais quente diminui indicando que o calor esta saindo do sistema, e que o sistema mais frio ganha calor e aumenta em temperatura. Assim, o calor sempre se move da região de alta temperatura para a região de mais baixa temperatura, e é esta diferença de temperatura quem dirige a transferência de calor entre os dois sistemas.

Definição da temperatura a partir do Segundo Príncípio da termodinâmica

No parágrafo anterior a temperatura foi definida a partir Princípio Zero da termodinâmica. É também possíveI de definir a temperatura a partir do Segundo Principio da termodinâmica, que trata da entropia. A entropia é uma medida da desordem num sistema. O Segundo princípio estabelece que qualquer processo leva a uma entropia constante ou maior do universo. Pode ser entendido em termo de probabilidade. Seja uma série de moedas. Uma ordem perfeita é aquela onde todas as moedas apresentam cara ou todas apresentam coroa. Para qualquer número de moeda, existe somente uma combinação que corresponde a esta situação. De um outro lado, há muitas combinações que resultam em sistemas desordenados ou misturados, onde uma parte é cara e o resto é coroa. Com o aumento do número de moedas, aumenta o número de combinações que correspondem a sistemas desordenados. Para um número muito grande de moedas, o número de combinações correspondendo a ~50% coroas e ~50% caras são as mais prováveis, e obter um resultado de 50/50 fica muito mais provável. Assim, um sistema tende naturalmente para o desordem máximo ou entropia máxima.

Nós estabelecemos, primeiro, que a temperatura controla o fluxo de calor entre dois sistemas e acabamos de mostrar que o universo, e podemos supor o mesmo para qualquer sistema natural, tende a atingir sua entropia máxima. Então podemos pensar que existe uma relação entre temperatura e entropia. Para achar esta relação, vamos estudar a relação entre calor, trabalho e temperatura. A máquina térmica é um dispositivo para converter calor em trabalho mecânico e uma análise da máquina térmica de Carnot fornece a relação que procuramos. O trabalho fornecido por uma máquina térmica corresponde a uma diferença entre o calor introduzido no sistema na temperatura maior, gH, e o calor perdido a baixa temperatura, qc. O rendimento é o trabalho executado dividido pelo calor introduzido no sistema ou:

${\textrm {rendimento}}={\frac {w_{cy}}{q_{H}}}={\frac {q_{H}-q_{C}}{q_{H}}}=1-{\frac {q_{C}}{q_{H}}}$ (2)

onde Wcy é o trabalho fornecido por ciclo. Vemos que o rendimento depende só de qC/qH. Como qC e qH correspondem à transferência de calor nas temperaturas TC e TH, qC/qH devem ser uma função destas temperaturas:

${\frac {q_{C}}{q_{H}}}=f(T_{H},T_{C})$

O teorema de Carnot estabelece que qualquer máquina reversível trabalhando entre os mesmos reservatórios de calor tem o mesmo rendimento. Assim, uma máquina operando entre T1 e T3 deve ter o mesmo rendimento que uma constituída de dois ciclos, um trabalhando entre T1 e T2 e a outro operando entre T2 e T3. Pode só ser verdadeiro se :

$q_{13}={\frac {q_{1}q_{2}}{q_{2}q_{3}}}$

o que implica:

$q_{13}\;=\;f(T_{1},T_{3})\;=\;f(T_{1},T_{2})f(T_{2},T_{3}),$

Como a primeira função é independente de T2, esta temperatura deve ser cancelada do lado direito significando que f(T1,T3) é da forma g(T1)/g(T3) (significa que f(T1,T3) = f(T1,T2)f(T2,T3) = g(T1)/g(T2)· g(T2)/g(T3) = g(T1)/g(T3)), onde g é uma função de uma só temperatura. Pode-se agora escolher a escala de temperatura por meio da propriedade:

${\frac {q_{C}}{q_{H}}}={\frac {T_{C}}{T_{H}}}$ (4)

Substituindo a equação 4 na equação 2, obtemos a relação do rendimento em termos de temperatura :

${\textrm {rendimento}}=1-{\frac {q_{C}}{q_{H}}}=1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}$ (5)

Observamos que para TC = 0 K, o rendimento é 100% e que o rendimento fica maior que 100% abaixo de 0 K. Como uma eficiência maior que 100% é contrária ao primeiro principio da termodinâmica, 0K é então a menor temperatura possível. De fato, a menor temperatura alcançada é 20 nK como relatado em 1985 no NIST. Subtraindo o lado direito da equação 5 da parte média e reorganizando, obtém-se:

${\frac {q_{H}}{T_{H}}}-{\frac {q_{C}}{T_{C}}}=0$

onde o sinal negativo indica a calor retirado do sistema. Esta relação sugere a existência de uma função de estado, S, definida como :

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

onde o índice indica um processo reversível. A variação da função num ciclo é zero como é necessário para qualquer função de estado. Esta função é a entropia do sistema como descrito acima. Podemos reordenar a equação 6 para obter a definição da temperatura em termos de entropia e de calor:

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

Para um sistema, onde a entropia pode ser formulada como uma função S(E) da energia E, a temperatura é dada por :

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

O inverso da temperatura é a variação da entropia com a energia.

Medição da temperatura

Muitos métodos foram desenvolvidos para medir as temperaturas. Muitos deles são baseados sobre o efeito da temperatura sobre matérias. Um dos dispositivos mais utilizados para medir a temperatura é o termômetro de vidro. Consiste em um tubo de vidro contendo mercúrio ou um outro líquido. A subida da temperatura provoca a expansão do líquido, e a temperatura pode ser determinada medindo o volume do líquido. Tais termômetros normalmente são calibrados e assim podem mostrar a temperatura simplesmente observando o nível do líquido no termômetro. Um outro tipo de termômetro que não é muito prático mas é importante de ponto de visto teórico é o termômetro de gás. Outros instrumentos de medição da temperatura são:

• Termopares
• Termoresistências
• Termistores
• Pirômetros

Devemos ser prudentes quando medimos a temperatura e verificar que o instrumento de medição está realmente à mesma temperatura que o material a ser medido. Em algumas circunstâncias, o calor do instrumento de medição pode provocar um gradiente de temperatura de tal forma que a temperatura medida seja diferente da temperatura real do sistema. Nestes casos, a temperatura variará não só com a temperatura do sistema mas também com as propriedades de transferência de calor do sistema. Um caso extremo deste efeito é a sensação térmica, onde o tempo parece mais frio no vento que por tempo calmo mesmo quando as condições de temperatura são as mesmas. O que acontece é que o vento aumenta a velocidade de transferência de calor do corpo, tendo como efeito uma grande redução da temperatura do corpo para uma mesma temperatura ambiente.

Escalas de temperatura

• Celsius

Nota: É comum chamar uma temperatura de temperatura abaixo de zero quando ela é menor que zero na escala celsius.

• Delisle
• Fahrenheit
• Leyden
• Kelvin
• Réaumur
• Rankine

Ver também

• Temperatura ambiente
• Temperatura termodinâmica
• Escala absoluta de temperatura