A temperatura é uma das grandezas físicas mais conhecidas e citadas atualmente. Todos os dias as pessoas lêem em jornais, ouvem no rádio ou vêem na televisão os boletins meteorológicos indicando as temperaturas máximas e mínimas para a sua região. Ajustamos a temperatura do forno do fogão e do aparelho de ar condicionado e verificamos nossa temperatura corporal quando estamos nos sentindo febris. Como podemos ver, a temperatura pode ser percebida de várias maneiras, entretanto, ela nos traz a informação de quão quente ou frio está um determinado corpo em relação a um outro corpo de referência, ou ainda como o indicador do sentido da troca de energia na forma de calor entre o corpo e sua vizinhança.
São as sensações táteis de “quente” e de “frio” que nos transmitem a primeira noção de temperatura. Dizemos então que quanto mais quente é um corpo, maior é a sua temperatura.
É do nosso conhecimento que, ao tocarmos com a mão uma porta de madeira e a maçaneta de metal, ambas à mesma temperatura, temos sensações térmicas diferentes. A avaliação de uma temperatura por intermédio do tato merece pouca confiança. Vemos assim que, para avaliar a temperatura com certo rigor, temos que recorrer a outros efeitos.
Do ponto de vista microscópico, a temperatura está associada à energia cinética média de translação das partículas (átomos, moléculas ou íons). Análises microscópicas mostram que qualquer corpo, seja ele sólido, líquido ou gasoso, é composto por partículas em constante agitação. Para um mesmo estado físico, a agitação das partículas está relacionada com a temperatura. Assim, a temperatura está intimamente ligada à energia cinética média das partículas que compõem o corpo. Uma temperatura mais alta indica maior agitação das partículas e, portanto, maior energia cinética média.
O físico irlandês William Thomson (Lorde Kelvin) chegou à conclusão de que havia uma temperatura mínima possível, que recebeu o nome de zero absoluto e seria atingida quando todas as partículas de um corpo estivessem imóveis. Sabemos hoje que quando um corpo é resfriado continuamente, os átomos não chegam a ficar completamente imóveis, ou seja, a energia cinética das moléculas do sistema tende a um valor mínimo e não nulo, mas atingem um estado no qual é impossível extrair mais energia do corpo; essa é a definição moderna de zero absoluto, corresponde à temperatura de zero kelvin equivalente à -273 ºC.
Provocação 1- Quanto maior a temperatura de um corpo, mais calor ele possui?
A resposta é não. A temperatura é uma grandeza física que está relacionada com a energia cinética média das moléculas do corpo, enquanto o calor é uma forma de energia em trânsito (movimento). Portanto, não tem sentido falar em calor de um corpo. No dia-a-dia, quando alguém diz que está com calor, na verdade ele se refere à sensação térmica. O nosso organismo, quando se encontra em um ambiente à temperatura menor que 36ºC, está liberando continuamente energia na forma de calor. Se as condições atmosféricas do ambiente (umidade relativa do ar, temperatura, etc.) não favorecerem ao organismo ceder o excesso de energia para o ambiente, dizemos que estamos com “calor”.
Provocação 2- Pode-se dizer que a temperatura é a medida da quantidade de calor de um corpo?
Devemos observar que o termo calor só pode se usado para indicar a energia que passa de um corpo para outro (em trânsito) devido exclusivamente a uma diferença de temperatura. Não podemos, portanto, dizer que um corpo “possui calor” ou que “a temperatura é uma medida do calor de um corpo”. A absorção de calor por um corpo acarreta um aumento da sua energia interna, mas não obrigatoriamente na sua temperatura (por exemplo, durante uma mudança de fase, a temperatura permanece constante apesar de o corpo receber calor).
Aplicação Tecnológica: Termografia
A Termografia é um procedimento que permite mapear um corpo ou região para distinguir as diferentes temperaturas. Ela é uma ferramenta de diagnóstico e monitoração para a medicina e a engenharia.
A Termografia pode ser entendida como um método de detecção da distribuição da energia térmica emitida pela superfície de um corpo ou de uma região. Trata-se de uma modalidade com várias aplicações, começou por ser usada e desenvolvida para fins militares e de investigação espacial. Na década de 50 já era usada na medicina e na medicina veterinária como ferramenta de auxílio ao diagnóstico e monitoração da recuperação. Também é muito utilizada nas áreas da engenharia civil, automotiva, aeronáutica, mecânica e eletrotécnica.
Como exemplo de aplicações na medicina e na medicina veterinária podemos citar a determinação de problemas circulatórios, a localização de infecções, a análise de danos musculares e o estudo de problemas de locomoção. As infecções alteram a distribuição térmica tópica devido à variação na irrigação sangüínea do tecido, provocando uma variação de temperatura.
Calor e equilíbrio térmico
Quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contato, inicia-se um processo de transferência de energia do corpo mais quente (o que tem maior temperatura) para o corpo mais frio (o que tem menor temperatura). Esse processo ocorre naturalmente e a energia transferida é, como já citamos, chamada calor. Como resultado da transferência de energia, a temperatura do corpo mais quente pode diminuir e a do corpo mais frio pode aumentar. O processo de transferência de energia acaba quando os dois corpos atingem a mesma temperatura, ou seja, quando os dois corpos atingem o equilíbrio térmico.
Na situação inicial da Figura 2, o corpo A está a uma temperatura superior à do corpo B. Postos em contato e isolados do meio externo, os dois corpos acabam por atingir a mesma temperatura final.
Quando colocamos uma lata de refrigerante no interior de um refrigerador (Figura 3), normalmente a lata está mais quente do que o interior do refrigerador. Então o refrigerante vai esfriando até atingir a temperatura do interior do refrigerador. A partir daí não existe mais condições para a transferência de energia na forma de calor.
Para medir a temperatura de um corpo colocamos um termômetro em contato com ele. Se as temperaturas do corpo e do termômetro forem diferentes, a temperatura indicada pelo termômetro varia até se fixar em um determinado valor. Nesse instante o termômetro está em equilíbrio térmico com o corpo e a temperatura indicada é a temperatura comum do corpo e do termômetro.
Quando uma panela com água é aquecida em um fogão a gás, a água aquece, mas a chama não esfria em resultado desse aquecimento. De fato a temperatura da chama mantém-se constante, pois fornece energia através da combustão de gás natural. Quando uma substância é aquecida, a temperatura geralmente aumenta, mas podem ocorrer situações em que a temperatura não varie. Nesse caso podemos estar diante de uma mudança de fase, como por exemplo, a fusão e a ebulição da água. Esse assunto será discutido posteriormente.
A medida da temperatura corporal
A avaliação da temperatura do corpo humano é muito importante, pois muitas doenças, como por exemplo os resfriados, podem produzir um aumento da temperatura corporal. A febre é a elevação da temperatura do corpo acima dos valores normais para o indivíduo. São aceitas como indicadores de febre as temperaturas acima de 37,5º C. Há também situações de anormalidade em que a temperatura diminui abaixo de 35 ºC de modo não intencional, caracterizando uma hipotermia.
Os termômetros utilizados na medida da temperatura corporal são chamados termômetros clínicos (Figura 8). Atualmente, existem no mercado vários tipos desses termômetros, a maior parte digital. Entretanto, ainda é muito usado o termômetro clínico de mercúrio. Os termômetros clínicos de mercúrio apresentam junto ao bulbo, no início do tubo capilar, um estrangulamento que não impede a passagem do mercúrio quando a temperatura sobe, porém, quando a temperatura baixa, o mercúrio não pode passar para o bulbo, ficando indicada a temperatura máxima atingida. Portanto, trata-se de um termômetro de máxima. Para ser usado novamente, o termômetro deve ser sacudido para que o mercúrio volte para o bulbo.
Quando colocamos a extremidade do termômetro clínico em contato com o corpo, o líquido no interior do tubo capilar desloca-se de acordo com a temperatura do corpo. É importante notar que, após colocar o termômetro sob o braço, precisamos esperar alguns minutos. Esse tempo é necessário para que se estabeleça o equilíbrio térmico entre o corpo e o termômetro. Assim, o termômetro vai indicar exatamente a temperatura do corpo. Para "ler" a temperatura, basta verificar onde a extremidade da coluna de mercúrio se encontra, utilizando a escala termométrica.
Pontos fixos
É possível mostrar que, sob certas condições, alguns fenômenos físicos sempre ocorrem à mesma temperatura, e que, durante o fenômeno, a temperatura permanece constante.
As temperaturas em que tais fenômenos acontecem são denominadas pontos fixos. Dois desses pontos fixos são particularmente importantes para o estudo da Termometria: o ponto de fusão do gelo e o ponto de ebulição da água.
Ponto de fusão do gelo, ou ponto de gelo, é a temperatura do gelo fundente (gelo e água em equilíbrio térmico) sob pressão normal.
Ponto de ebulição da água é a temperatura da água em ebulição sob pressão normal. A ebulição se caracteriza pela formação de bolhas de vapor no interior da massa líquida.
Em 1724 Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736) usou o mercúrio como líquido do termômetro. A expansão térmica do mercúrio é grande e uniforme. Ele não adere ao vidro e permanece líquido em um grande intervalo de temperaturas (de -39ºC até 357ºC). Sua aparência metálica facilita a leitura.
Escala Celsius
Para se conseguir que termômetros diferentes marquem a mesma temperatura, nas mesmas condições, é necessário se estabelecer um padrão comum para eles, ou seja, uma escala termométrica. Na escala Celsius são escolhidas duas referências: uma é a temperatura de fusão do gelo e a outra é a da ebulição da água (na pressão de uma 1 atm).
Nessa escala, são atribuídos os valores 0 (zero) para o ponto de gelo e 100 (cem) para o ponto de vapor. Divide-se o intervalo entre os dois pontos fixos (denominado intervalo fundamental) em cem partes iguais. Cada uma dessas partes constitui a unidade da escala, denominada grau Celsius (símbolo ºC). Portanto, o grau Celsius corresponde a um centésimo do intervalo fundamental.
Escala Fahrenheit
Outra escala, que ainda é usada em países de língua inglesa, é a escala Fahrenheit, em que o zero (0ºF) foi escolhido para a temperatura de um certo dia muito frio na Islândia e o cem (100ºF) para a temperatura média corporal de uma pessoa.
Os valores atribuídos, nessa escala, para o ponto de gelo e o ponto de vapor são, respectivamente, 32 (trinta e dois) e 212 (duzentos e doze). O intervalo fundamental é dividido em 180 (cento e oitenta) partes iguais, cada uma das quais constitui o grau Fahrenheit (símbolo: ºF). Assim, o grau Fahrenheit corresponde a 1/180 do intervalo fundamental.
Escala Absoluta Kelvin
Teoricamente, não existe nenhum limite superior de temperatura, isto é, não há um estado térmico que possa ser considerado mais quente que todos os demais.
No entanto, é possível demonstrar que existe um limite inferior de temperatura, ou seja, um estado térmico onde as moléculas apresentam a menor agitação térmica possível. A esse estado térmico dá-se o nome de zero absoluto, conforme citado anteriormente. Embora seja inatingível na prática, foi possível chegar, através de considerações teóricas e experimentais, à conclusão de que o zero absoluto corresponde, nas escalas relativas usuais, a – 273,15 ºC (usaremos o valor aproximado de – 273 ºC) e – 459,67ºF.
Embora a criação das escalas absolutas envolva considerações mais complexas de Termodinâmica, nessa altura podemos definir escala absoluta como sendo qualquer escala termométrica que tenha origem no zero absoluto. A cada escala relativa podemos fazer corresponder uma escala absoluta que possua a mesma unidade. À escala Fahrenheit corresponde a escala Rankine, cujo grau termométrico (ºR) é igual ao grau Fahrenheit (ºF). Não estudaremos por ser de pouca aplicação prática entre nós. A escala absoluta Kelvin, que tem origem no zero absoluto (-273ºC, aproximadamente) e unidade denominada kelvin (símbolo: K), é igual ao grau Celsius.
