Temperatura

A Temperatura é a propriedade de um sistema que implica as noções comuns de "quente" ou "frio". Em geral a matéria com a temperatura maior é dita mais quente.

A temperatura é devida à transferência da energia térmica, ou calor, entre um e outro sistema. Quando dois sistemas são na mesma temperatura, eles são em equilíbrio térmico e não há transferência de calor. Quando existe uma diferença de temperatura, o calor será 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 muito campos da ciência, entre outros a física, a química e a biologia.

A temperatura está ligada à quantidade de energia térmica ou calor num sistema. Quanto mais se junta calor 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 agitação térmica de 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 a fase (sólida, líquida, gasosa ou plasma), 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 e do grau da reação química. É por isso que o corpo humano possui alguns mecanismos para manter a temperatura a 37º [Celsius|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.

TEMPERATURA

Temperatura, variável de enorme importância nos estudos hidrobiológicos e para a atividade aqüicola, nesta influindo e determinando desde à escolha do local para implantação do empreendimento, na escolha das espécies a serem criadas, no manejo das criaturas mantidas como reprodutoras, nas épocas melhores para se realizar a reprodução induzida ou não, na manutenção, engorda e despesca, no entendimento da biologia das espécies a serem trabalhadas, no manejo, na relação e inter-relação de inúmeras outras variáveis físicas, químicas e biológicas ocorridas na água e no solo, além das ocorridas nas próprias espécies criadas.

Pouquíssimos são os criatórios que mantêm uma periodicidade na determinação e interpretação dessa variável temperatura, (do ar e da água), e o porque disso, do quase total desprezo, podendo-se assim dizer, se deve a falta de melhores informações sobre o que significa e aonde tal variável interfere. Essa displicência, (falta de interesse e de conhecimento), é notada desde os mais simples criadores até nos muitos tidos técnicos em criação de organismos aquáticos.

Embora o conhecidissimo equipamento utilizado, (termômetro), seja de fácil obtenção,  manejo e leitura, tem-se notado que raríssimos são os técnicos e produtores que incluem nos seus planos e quadros de determinações e acompanhamento, (monitoramento), essa variável, por completo, determinando a temperatura do ar e a temperatura da água. Se o fazem de início, chegam a abandonar logo em seguida, achando que algumas determinações já os colocam como  “exper”  em climatologia, (clima regional), o que é um enorme erro pois a temperatura ambiente, mesmo aquela prevista, quadro de máxima, média e mínima distribuídas pelos períodos climáticos do ano, não significa ou fornece total subsídio.

Dados, anotações e conhecimento de situações ambientais quanto a temperatura, (ar e água), orienta em muito na interpretação das constantes e até diferentes variações comportamentais biológicas e da própria massa aquática, tanto na visão horizontal como vertical de um sistema hídrico ou de uma criação de organismos aquáticos. Porém, tudo isso é fartamente relegado à um último plano, mesmo sabendo-se que “temperatura nada mais é que uma propriedade de transferência/transmissão da energia térmica, ou simplesmente de calor, entre um e outro meio”, ocorrendo tanto no líquido, sólido e gasoso.

Como se percebe, a primeira dificuldade é de conhecimento básico, do simples  significado da  temperatura, ou seja saindo-se das simples sensações de “quente e frio”, não se querendo citar outros conceitos, nos seus mais amplos entendimentos, o que na lida prática do dia a dia do hidrobiologista e do produtor aqüícola, até devam ser de obrigatório domínio, apontando-se  ai o corriqueiro conhecimento das outras variáveis físicas, químicas e biológicas que determinam ou influem ou sofrem influência nessa e dessa variável, temperatura, comprometendo ou auxiliando o desempenho dos organismos, do sistema, do meio ou ambiente, em questão.

Aqui, o autor,(Helcias B de Pádua - [email protected]) quando aluno do curso de Biologia e Piscicultura, em 1975, na então Estação Experimental de Biologia e Piscicultura/Cachoeira de Emas-Pirassununga/SP, oferecido pela antiga SUDEPE, notava e se intrigava muito, pois os seus professores, eminentes mestres, discursavam sobre a biologia dos peixes, anatomia, reprodução, alimentação, doenças, pesca e despesca, limmologia (não é Qualidade das Águas), construção de tanques, elaboração de ração, até conservação e preparo do pescado,  e não  citavam ou discutiam sobre as inter-relações do meio em que os peixes viviam, a ÁGUA. 

Até hoje, (2005) na maioria dos encontros, seminários e congressos de ictiologia e de aqüicultura, pouco ou mesmo não se apresentam palestras, cursos e debates sobre o tema ÁGUA. Apontam-se as situações de distribuição da ictiofauna, da poluição, da contaminação, da preservação do pescado, sua comercialização, tipos e composição de ração e se esquece do princípio, aonde o peixe ou organismo aquático vive, com suas variáveis físicas, químicas e biológicas, por exemplo a temperatura do ar e a temperatura da água.

Encontra-se fartos relatórios técnicos, trabalhos científicos e teses, que apenas reproduzem inúmeros dados, não só da variável temperatura (ar/água), sem procurar relações e inter-relações com o sistema, meio e ambiente onde se efetuou determinações tão importantes. Apenas compara-se os valores com os limites preestabelecidos pela legislação, quanto ao seus diversos usos da água e sua caracterização de qualidade.

Esquecem que a temperatura tem um papel importante na velocidade e no grau de inúmeras reações químicas. Nós humanos, (homeotermos), possuímos certos mecanismos para manter a temperatura a 36-37º (CelsiusºC), visto que uma temperatura um pouco maior pode resultar em reações nocivas à saúde, com conseqüências sérias. Tal variável controla também o tipo e a quantidade de radiações térmicas emitidas pela corpo ou área. Já os organismos aquáticos, (peixes, anfíbios, etc.), por serem considerados pecilotérmicos, isto é, não possuem mecanismos internos de controle de temperatura corporal, a ação ou dependência é bem maior.

Na verdade, a temperatura apresenta efeito sobre as reações (externas e internas) de todos organismos do reino animal e vegetal, interferindo na disposição dos mesmos; nas atividades metabólicas; nos reflexos comportamentais; na disposição alimentar e reprodutiva, além de colocá-los com maior ou menor sensibilidade a doenças.

A temperatura é uma propriedade que implica nas noções comuns de “quente” ou “frio”. Em geral a matéria com uma temperatura maior é dita mais quente. Entende-se: como quente, qualidade de estar com maior temperatura do que outra coisa, comparativamente, sensação térmica (por vezes tátil) associada a objetos que transmitem calor para quem os toca. Por outro lado, o frio é a qualidade de estar com menor temperatura do que outra coisa, com pouco ou ausência de calor. A ciência que estuda as propriedades precisas da temperatura chama-se Termodinâmica. (WIKIPEDIA, 2004).

Como já citado, a temperatura é devida à transferência/transmissão da energia térmica, ou calor, entre um e outro sistema. A transferência espontânea de calor entre objetos em contato ocorre sempre do mais quente para o mais frio, (o de maior temperatura perde calor enquanto o de menor temperatura recebe calor), levando ou tendendo à ambos atingirem a mesma temperatura (o equilíbrio térmico).

Vejamos: em diversos momentos na nossa vida podemos presenciar, e até mesmo sentir, a transferência de calor entre objetos. Na cozinha por exemplo, diariamente para preparar os alimentos precisamos aquecê-los. Ao terminar de prepará-los, eles começam a esfriar. Esfriam até atingir um equilíbrio térmico com o meio onde estão, a mesma temperatura do ambiente, (quem demora come frio ou menos quente). Nesse exemplo a troca de calor ocorreu entre a panela onde estavam os alimentos e o ar que a rodeava. Não é por acaso que a cozinha esquenta, a cozinheira sente calor; elas recebem o calor dos objetos aquecidos em seu interior e entorno, (além do emitido pela queima do combustível. p. ex., da madeira, do carvão, do gás, etc.).

Outra importante observação foi feita em 1840 por um físico chamado Germain Henri Hess que trabalhava em St. Petersburg, na Rússia. Com base nos seus estudos sobre calores de reação, ele decidiu que, de um modo geral, quando uma reação se dá em etapas, a soma dos calores de reação correspondentes aos diversos estágios é igual ao calor de reação obtido quando a reação é realizada completamente, em uma só etapa. Isto recebeu o nome de lei de Hess. Esta lei é tão importante que o físico Hess pode ser considerado como sendo o pai da Termoquímica, a química do calor. Outra maneira (mais geral) de exprimir a lei de Hess é a seguinte: "se passamos da substância A para a substância B por meio de transformações químicas, não importa quais sejam os detalhes destas transformações químicas, a variação final, total, de energia será sempre a mesma.", (FERRAZ NETTO, s/d/).

Pois então, com simples exemplos de transferência de calor chega-se à entender a nossa sensação de frio ou quente. Quando o ambiente em que estamos se torna mais frio do que o nosso corpo, então o calor do nosso corpo começa a propagar para o ambiente e nós começamos a sentir frio. Quando o ambiente está mais quente, não há transferência de calor do nosso corpo para o meio, (recebemos calor), e temos a sensação de quente. Transferência espontânea de calor ocorre sempre do objeto de maior temperatura para aquele de menor temperatura. Essa transferência de energia ocorre até que as temperaturas se igualem, ou seja, até que os objetos atinjam o equilíbrio térmico, (UNESP, 2004).

Por exemplo, nos ecossistemas aquáticos continentais, a quase totalidade da propagação do calor ocorre por transporte na ou para a massa d’água, sendo a eficiência deste em função da ausência ou presença de camadas de diferentes densidades. Em lagos que apresentam temperaturas uniformes em toda a coluna, a propagação do calor através de toda a massa líquida pode ocorrer de maneira bastante eficiente, uma vez que a densidade da água nessas condições é praticamente igual em todas as profundidades, sendo o vento o agente fornecedor da energia indispensável para a mistura das massas d’água.

Por outro lado, quando as diferenças de temperatura geram camadas d’água com diferentes densidades, que em si já formam uma barreira física, impedindo que se misturem, e se a energia do vento não for suficiente para misturá-las, o calor não se distribui uniformemente, criando a condição de estabilidade térmica. Quando ocorre este fenômeno, o ecossistema aquático está estratificado termicamente. Os estratos formados freqüentemente estão diferenciados física, química e biologicamente.

Unidades de temperatura

A unidade básica de temperatura é o kelvin (K). Um kelvin é rigorosamente definido como os 1/273,16 avos da temperatura do ponto triplo da água (o ponto onde água, gelo e vapor de água coexistem em equilíbrio) . A temperatura 0 K é chamada zero absoluto e corresponde ao ponto onde as moléculas e átomos possuem a menor quantidade possível de energia térmica.

Conversão de todas as temperaturas

Conversão de	para	Fórmula
Celsius	Fahrenheit	°F = °C × 1.8 + 32
Celsius	kelvin	K = C° + 273.15
Celsius	Rankine	°Ra = °C × 1.8 + 32 + 459.67
Celsius	Réaumur	°R = °C × 0.8
kelvin	Celsius	°C = K - 273.15
kelvin	Fahrenheit	°F = K × 1.8 - 459.67
kelvin	Rankine	°Ra = K × 1.8
kelvin	Réaumur	°R = (K - 273.15) × 0.8
Fahrenheit	Celsius	°C = (°F - 32) / 1.8
Fahrenheit	kelvin	K = (°F + 459.67) / 1.8
Fahrenheit	Rankine	°Ra = °F + 459.67
Fahrenheit	Réaumur	°R = (°F - 32) / 2.25
Rankine	Celsius	°C = (°Ra - 32 - 459.67) / 1.8
Rankine	Fahrenheit	°F = °Ra - 459.67
Rankine	kelvin	K = °Ra / 1.8
Rankine	Réaumur	°R = (°Ra - 32 - 459.67) / 2.25
Reaumur	Celsius	°C = °R × 1.25
Réaumur	Fahrenheit	°F = °R × 2.25 + 32
Réaumur	kelvin	K = °R × 1.25 + 273.15
Réaumur	Rankine	°Ra = °R × 2.25 + 32 + 459.67

Para aplicações diárias, é sempre conveniente utilizar a escala Celsius, na qual 0º corresponde à temperatura onde a água congela e 100º corresponde ao ponto de ebulição da água ao nível do mar. Nesta escala, a diferença de temperatura de 1 grau é a mesma que 1 K de diferença de temperatura. A escala Celsius é essencialmente a mesma que a escala kelvin, porém com um deslocamento da temperatura de congelamento da água (273,16 K). Assim, a seguinte equação pode ser utilizada para converter Celsius em kelvin.

K = °C + 273.15

Nos Estados Unidos, a escala Fahrenheit é geralmente utilizada. Nesta escala, o ponto de congelamento da água corresponde a 32ºF e o ponto de ebulição a 212ºF. A seguinte fórmula pode ser utilizada para converter Fahrenheit para Celsius:

°C = 5/9 · (°F - 32)

Outras escalas de temperatura são o Rankine e o Réaumur.

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. Antes de pular para a definição precisa, vamos estudar o conceito de equilibro térmico. Se dois sistemas com volume constante 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 zero da termodinâmica, que diz que se dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico e que um terceiro sistema C é em equilíbrio térmico com o sistema A, então os sistemas B e C estão também em equilíbrio. É um fato empírico, baseado mais sobre a observação do que sobre a teoria. Como A, B e C são todos em equilíbrio térmico, é razoável de 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 são 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 termodinãmica, 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:

Arquivo:Temperatura.eq2.JPG(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:

Arquivo:Temperatura.eq3.JPG(3)

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 :

Arquivo:Temperatura.eq3b.JPG

o que implica:

q13 = f(T1,T3) = f(T1,T2)f(T2,T3)

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:

Arquivo:Temperatura.eq4.JPG(4)

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

Arquivo:Temperatura.eq5.JPG(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. Substraindo o lado direito da equação 5 da parte média e reorganizando, obtém-se:

Arquivo:Temperatura.eq5b.JPG

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

Arquivo:Temperatura.eq6.JPG(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:

Arquivo:Temperatura.eq7.JPG(7)

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

Arquivo:Temperatura.eq8.JPG(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