Termologia

O que é Termologia?

Termologia é o estudo científico dos fenômenos relacionados ao calor e à temperatura, como transferência de calor, equilíbrio térmico, transformações sofridas por gases, mudanças de estado físico, etc.

Temperatura

Temperatura é a medida do grau de agitação das partículas que constituem um corpo. A temperatura de um corpo é diretamente proporcional à velocidade com que seus átomos e moléculas vibram, rotacionam ou, até mesmo, transladam.

A temperatura é uma das grandezas fundamentais da natureza, juntamente com o metro e com o segundo, por exemplo. No sistema internacional de unidades (SI), a unidade utilizada para a medida da temperatura é o Kelvin (K). Essa escala de temperatura é considerada absoluta, pois não admite valores negativos e pode ser determinada diretamente pela vibração térmica dos átomos. Por isso, dizemos que a menor temperatura possível é o 0 K, também conhecido como zero absoluto.

Apesar da existência do Kelvin, outras escalas usuais, baseadas em outras substâncias, como Celsius e Fahrenheit, continuam sendo usadas no mundo. A figura abaixo mostra três termômetros graduados nas escalas mais comuns existentes: Celsius, Kelvin e Fahrenheit:

Escalas termométricas

As escalas termométricas são usadas para medir a temperatura a partir de alguma referência. Geralmente, tomam-se dois pontos fixos para os quais o corpo ou a substância de referência apresentaria as mesmas propriedades, como volume, densidade, condutividade ou resistência elétrica, comprimento, etc.

A escala Celsius é a termométrica mais usada no mundo. Trata-se de uma escala centígrada, isto é, apresenta 100 divisões de igual tamanho entre seus pontos fixos, 0 ºC e 100 ºC, chamados de graus. Por ser uma escala usual, admite temperaturas negativas: seu zero absoluto tem valor de aproximadamente -273,5 ºC.

Veja também: Termômetros e escalas termométricas

A escala Fahrenheit, por sua vez, é usada em poucos países, como Estados Unidos e Inglaterra. Foi desenvolvida para que o ponto de fusão da água seja igual a 32 ºF. Assim, mesmo atingindo baixas temperaturas, é improvável que se observem temperaturas negativas em países que utilizam essa escala. A temperatura de ebulição da água em Fahrenheit é de 212 ºF.

A escala Kelvin foi baseada na agitação térmica de átomos de hélio de forma que, ao atingirem o repouso total, atribui-se a esses átomos a temperatura de 0 K. Hoje em dia, sabemos que essa baixíssima temperatura é, na verdade, inalcançável.

Para convertermos valores de temperatura expressos em uma das escalas citadas acima, podemos utilizar as seguintes equações:

T_K – temperatura em Kelvin
T_F – temperatura em Fahrenheit
T_C – temperatura em Celsius

Calor

Dizemos que calor é a energia térmica transferida entre corpos que se encontram em temperaturas diferentes, sendo, portanto, uma forma de energia. Além disso, o calor sempre transita do corpo de maior temperatura para os corpos de menor temperatura, até que se estabeleça o equilíbrio térmico.

O calor pode ser transmitido por meio de três processos:

• Condução: transmissão de calor mediante o contato de superfícies;

• Convecção: transmissão de calor em razão da formação de correntes convectivas em um fluido;

• Irradiação: transmissão de calor por ondas eletromagnéticas.

Veja também: Processos de propagação de calor

Existem apenas duas formas de calor: calor latente e calor sensível:

• Calor sensível: é a forma de calor responsável pela mudança de temperatura em um corpo. Quando um corpo recebe calor sensível, sua temperatura aumenta; quando o mesmo corpo cede calor sensível, sua temperatura cai.

• Calor latente: é a quantidade de calor que deve ser transferida para que um corpo ou uma substância mude de estado físico. Quando um corpo encontra-se na temperatura de ebulição ou de fusão, por exemplo, sua temperatura não varia, mesmo que ele continue exposto a uma fonte de calor. Não há mudanças de calor quando um corpo troca calor latente, apenas mudanças de estados físicos. Por isso, dizemos que ele recebe calor latente.

Veja também: Diferenças entre calor sensível e calor latente

Dilatação térmica

A dilatação térmica ocorre quando um corpo recebe ou cede grandes quantidades de calor. Além da mudança de temperatura ou do seu estado de agregação (estado físico), a passagem de calor para um corpo pode ocasionar mudanças em suas dimensões. A dilatação térmica depende da variação de temperatura sofrida pelo corpo, além do seu coeficiente de dilatação linear, superficial e volumétrico.

De acordo com o formato do corpo, pode-se determinar qual de suas dimensões é mais favorecida. Por exemplo, uma agulha tem formato alongado, por isso, a dilatação mais importante nesse caso é a linear. Ao todo, existem três formas de dilatação térmica:

• Dilatação linear: mudança no comprimento de um corpo. Depende do seu coeficiente de dilatação linear (α).

• Dilatação superficial: mudança sofrida pela área de um corpo. Depende do coeficiente de dilatação superficial (β).

• Dilatação volumétrica: mudança ocorrida no volume de um corpo. Depende do coeficiente de dilatação volumétrica (γ).

As juntas de dilatação servem para que as barras dos trilhos de trem não se dilatem e, consequentemente, não entortem.

Veja também: Dilatação térmica dos sólidos

Termodinâmica

A Termodinâmica é uma importante área da Termologia que estuda as relações entre calor, trabalho, temperatura e outras grandezas, como pressão, volume, etc. É responsável pelo estabelecimento de leis que regem todas as transformações que podem ser sofridas pela matéria, como a lei da conservação da energia, também conhecida como primeira lei da Termodinâmica.

Veja também: Fundamentos da Calorimetria

Conheça as leis da Termodinâmica e uma breve descrição de seu conteúdo:

• Lei zero da Termodinâmica: é a lei do equilíbrio térmico. Essa lei fala que todos os corpos tendem a trocar calor até atingirem o equilíbrio térmico.

• Primeira lei da Termodinâmica: é a lei da conservação da energia. Essa lei afirma que todo o calor recebido por um sistema durante um processo termodinâmico pode ser convertido em trabalho ou em aumento de sua energia interna.

• Segunda lei da Termodinâmica: é a lei da entropia. Essa lei afirma que todos os sistemas que recebem calor tendem a alcançar níveis cada vez menores de organização.

• Terceira lei da Termodinâmica: é a lei do zero absoluto. Essa lei nos diz que o zero absoluto é, na verdade, inatingível. Por mais frio que esteja um corpo, ele nunca estará a 0 K.

Fórmulas de Termologia

Confira algumas fórmulas de Termologia que podem ser úteis para seu estudo:

• Conversão de escalas termométricas

• Cálculo do calor sensível

  Q – calor sensível
  m – massa
  c – calor específico
  ΔT – variação de temperatura

• Cálculo do calor latente

Q – calor
m – massa
L – calor latente

• Dilatação térmica linear

  L – comprimento final
  L₀ – comprimento inicial
  ΔT – variação de temperatura
  α – coeficiente de dilatação linear

• Dilatação térmica superficial

  S – área final
  S₀ – área inicial
  ΔT – variação de temperatura
  β – coeficiente de dilatação superficial

• Dilatação térmica volumétrica

  V – volume final
  L₀ – volume inicial
  ΔT – variação de temperatura
  γ – coeficiente de dilatação volumétrica

• Primeira lei da Termodinâmica

ΔU – variação da energia interna
Q – calor
τ - trabalho

Resumo

• Temperatura: quanto mais quente encontra-se um corpo, maior é a vibração de suas moléculas. Tal agitação é chamada de temperatura.

• Calor: quando dois corpos de temperaturas diferentes encontram-se em contato térmico, o calor é transferido do corpo de maior temperatura em direção ao corpo menos quente

• Escalas termométricas: são usadas para representar temperaturas em diferentes unidades, como Celsius e Fahrenheit.

• Dilatação térmica: quando um corpo recebe calor e sofre aumentos de temperatura, suas dimensões podem aumentar. Esse efeito é chamado de dilatação térmica.

Veja também: Qual é a diferença entre calor e temperatura?

Exercícios de Termologia

1) Um termômetro calibrado na escala Fahrenheit indica uma temperatura de 68 ºF. Qual é o valor dessa temperatura na escala Celsius?

Resolução

Para convertermos Fahrenheit em Celsius, utilizaremos a fórmula abaixo:

2) Um corpo de 10 g de calor específico igual a 1,2 cal/g ºC é submetido a uma variação de temperatura de 25 ºC. Determine a quantidade de calor transferida para esse corpo durante o processo.

Resolução

O enunciado do exercício afirma que houve variação de temperatura para esse corpo. Portanto, utilizaremos a fórmula que calcula a quantidade de calor sensível:

Tomando os dados fornecidos pelo exercício, teremos que:

3) Em um processo termodinâmico, são necessárias 500 cal para fundir um corpo de massa igual a 10 g, que se encontra no estado sólido, em sua temperatura de fusão. Determine o calor latente de fusão desse corpo.

Resolução

Para fazer o cálculo que se pede, usaremos a fórmula do calor latente:

Usando os dados que foram informados, teremos que:

4) Assinale a alternativa que apresenta o nome do processo de transmissão de calor por ondas eletromagnéticas:

a) Condução

b) Convecção

c) Transmissão

d) Irradiação

e) Dilatação

Resolução

A transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas é chamada irradiação. Por meio desse processo, o Sol consegue aquecer a superfície da Terra.

5) Uma barra metálica homogênea de comprimento igual a 1,5 m é aquecida até que sua temperatura de 25 ºC atinja 150 ºC. Considerando que o coeficiente de dilatação linear dessa barra é de 1,2.10^-5 ºC^-¹, determine o comprimento final da barra após o aquecimento.

Resolução

O tipo de dilatação sofrida por uma barra é linear. Portanto, para calcularmos o comprimento final dessa barra, faremos o seguinte cálculo:

Por Me.Rafael Helerbrock