Resumo de Física – Termologia

1. ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA

Podemos resumir os estados físicos da matéria em cinco tipos:

  • Sólido
  • Liquido
  • Gasoso
  • Condensado Bose-Einstein
  • Plasma

1.1 Sólido

Neste estado, as moléculas estão muito próximas entre si e a ligação química entre elas é forte. Isso limita o movimento das partículas. Por isso, um material no estado solido apresenta características como dureza e volume bem definido.

A porta do seu quarto é dura e um soco na porta não é capaz de romper essas ligações e separar essas moléculas.

1.2 Líquido

Neste estado, as moléculas estão mais afastadas uma das outras e a ligação química entre elas é mais fraca. Há uma liberdade maior de movimentação das partículas. O volume é definido pelo recipiente em que o liquido se encontra.

Por isso, é possível mergulhar em uma piscina. Uma força simples é capaz de romper essas ligações e separar as moléculas da água.

1.3 Gasoso

Neste estado, a ligação química entre as moléculas e nula e o espaçamento entre as moléculas é maior. Há uma liberdade ainda maior de movimentação das partículas de um gás.

Por isso, um vazamento do gás de cozinha é um evento perigoso, pois as moléculas são capazes de espalhar com facilidade e ocupar o volume do recipiente.

1.4 Condensado Bose-Einstein

Neste estado, as moléculas se encontram próximas da menor temperatura possível (-273 ºC). Esta estrutura apresenta características próprias.

1.5. Plasma

Nesse estado, um gás é superaquecido e ocorre a produção de elétrons livres, criando uma “sopinha” de elétrons.

2. A TEMPERATURA

As moléculas de um corpo, não importando o seu estado físico, estão sempre em movimento, portanto possuem energia cinética. Um aumento no grau de agitação dessas moléculas provoca um aumento da sua energia.

A temperatura mede o grau de agitação das moléculas de um corpo.

Portanto, quando uma amostra de água é aquecida de 20 C para 50 C, as suas moléculas absorvem a energia térmica recebida pela fonte de calor e aumenta a agitação das suas moléculas.

2.1 Os conceitos iniciais

Até o século XIX, a temperatura de um corpo estava relacionada com as sensações de quente e frio. Porém, essas sensações são subjetivas e variam entre os indivíduos. Para solucionar esse problema, Galileu Galilei inventou o termoscópio, constituído de uma estrutura tubular de vidro e mercúrio no seu interior.

Quando a temperatura de um corpo aumentava, a coluna de mercúrio no interior do termoscópio crescia. Porém, Galileu cometeu um erro. A coluna não apresentava números para quantificar a variação da temperatura.

3. ESCALAS TERMOMÉTRICAS

As escalas foram criadas para quantificar a temperatura. Porém, existia um problema: os cientistas da época não sabiam que a temperatura media a agitação das moléculas. Por isso, números arbitrários eram escolhidos, sem levar em consideração nenhum critério técnico.

O procedimento para a escolha desses números era semelhante.

O termoscópio era colocado em uma determinada mistura no estado sólido. O sistema era aquecido (a coluna de mercúrio dilatava e subia) até a temperatura de fusão (a coluna de mercúrio estabilizava durante todo o processo de mudança de fase).

Neste instante, um valor escolhido pelo cientista era definido.

O sistema (no estado líquido era aquecido novamente até atingir a temperatura de ebulição. Repetia-se o processo destacado em 2.

Os valores escolhidos são conhecidos como pontos fixos.

Por volta de 1800, mais de 80 escalas foram catalogadas. Destacamos as três mais usadas hoje em dia.

3.1 Celsius

Os pontos fixos da escala Celsius são: 0º C para o ponto de fusão do gelo e 100º C para o ponto de ebulição da água.

3.2 Fahrenheit

Os pontos fixos da escala Fahrenheit são: 32 ºF para o ponto de fusão do gelo e 212 ºF para o ponto de ebulição da água.

A fórmula abaixo permite a conversão entre as temperaturas nas escalas Kelvin e Celsius.

Observação: as escalas Celsius e Fahrenheit são consideradas escalas relativas, pois não medem exatamente o grau de agitação das moléculas.

Basta racionar da seguinte forma: se as moléculas de um corpo de 0 ºC estariam paradas, o que significa um corpo com a temperatura de -10 ºC? Não faz o menor sentido, não é mesmo.

Por isso, criou-se a escala Kelvin, que veremos a seguir.

3.3 Kelvin

A escala Kelvin foi criada após os cientistas descobrirem que os corpos eram formados por moléculas que se moviam. As outras escalas escolhiam valores arbitrários para os pontos fixos e por isso, não representam a realidade.

A escala Kelvin é uma escala absoluta e não permite valores negativos. O menor valor da escala Kelvin é o zero, chamado de zero absoluto.

Nesta temperatura, as moléculas de um corpo estariam paradas, o que na prática é impossível. O valor de 0 K é de aproximadamente -273 ºC.

Os pontos fixos da escala são: 273 K para o ponto de fusão do gelo e 373 K para o ponto de ebulição da água.

A fórmula abaixo permite a conversão entre as temperaturas nas escalas Kelvin e Celsius.

Essa fórmula é muito utilizada na calorimetria, no estudo dos gases e na termodinâmica.

4. CONVERSÃO ENTRE ESCALAS

Curioso para saber como encontramos as formulas de conversão entre as escalas Celsius e Fahrenheit e Kelvin e Celsius? Simples: utilizarmos o que chamamos de receita de bolo.

Siga sempre esses passos nos exercícios e acertarás todos que encontrar pela frente! Preparado?

4.1. A receita de bolo

Coloque as duas escalas lado a lado, como mostra a figura abaixo. No exemplo, usaremos as escalas Celsius e Fahrenheit.

Escreva os dois pontos fixos de cada escala. Atenção: escreva apenas dois pontos fixos. O maior valor em cima e o menor valor em baixo. 0 e 100 para escala Celsius e 32 e 212 para a escala Fahrenheit.

Escreva um valor genérico entre os pontos fixos (é uma boa prática escolher uma letra que lembre facilmente a escala trabalhada. C para Celsius e F para Fahrenheit, no exemplo).

Faça a proporção matemática e simplifique até não conseguir mais.

O intervalo menor está para o intervalo maior em ambos os lados.

Simplificando o denominador por 20:

Viu como é fácil?!

Aplicando a receita de bolo para obter a fórmula de conversão entre Kelvin e Celsius.

  • Passo 1
  • Passo 2
  • Passo 3
  • Passo 4

A receita de bolo permite obter a equação termométrica entre quaisquer escalas.

Veja o exemplo abaixo:

Os pontos de fusão do gelo e de ebulição da água de uma escala genérica X valem respetivamente, 20 ºX e 80 ºX. Determine a equação termométrica entre as escalas Celsius e X.

Solução: vamos aplicar a receita de bolo!

  • Passos 1 e 2
  • Passo 3
  • Passo 4

Simplificando o denominador por 20:

5. VARIAÇÃO DA TEMPERATURA

Em muitos problemas, a temperatura inicial e final não são dadas, mas apenas o quanto a temperatura variou (mudou). Por exemplo, suponha que em belo dia na cidade do Rio de Janeiro, a diferença entre as temperaturas mínima e máxima foi de 10 ºC.

Repare que não conhecemos as temperaturas iniciais e finais, que poderiam ser de 20º para 30º ou de 25º para 35º. Por isso, para determinar quanto vale essa variação de 10 ºC, não podemos utilizar a fórmula de conversão de Celsius para Fahrenheit, caso contrário encontraremos um valor que não corresponde à realidade.

Para isso, utiliza-se a fórmula abaixo que converte diretamente uma variação de temperatura entre as escalas Celsius e Fahrenheit.

Para as escalas Kelvin e Celsius, a variação da temperatura são iguais e não precisamos realizar nenhum cálculo!

6. DIFERENÇA ENTRE TEMPERATURA E CALOR

Esse tema cai muito em questões de vestibular e costuma ser pegadinha. Temperatura não mede calor e são grandezas físicas diferentes.

Já vimos que a temperatura mede o grau de agitação das moléculas. Mas, o que é o calor?

Dois corpos na mesma temperatura estão equilíbrio térmico. Agora, considere dois corpos com temperaturas diferentes, uma mais quente e outro mais frio.

As moléculas do corpo mais quente possuem mais energia que do corpo mais frio. Quando postos em contato, a parte da energia do corpo quente é transferida para as moléculas do corpo mais frio.

Nesse processo, a temperatura do corpo mais quente diminui e a temperatura do corpo mais frio aumenta. Ou seja, ocorre transferência de energia de um corpo para outro. Quando ambos atingem a mesma temperatura, a troca de calor termina e os dois corpos estão em equilíbrio térmico.

Essa transferência de energia entre corpos com temperaturas diferentes é denominada calor.

Portanto, a temperatura mede o quanto as moléculas de um corpo estão agitadas e o calor é a transferência de energia térmica entre dois corpos com temperaturas diferentes.

Por isso, frases como: “Estou com calor” não tem sentido físico. Uma pessoa possui temperatura alta ou baixa em comparação com um padrão. Portanto, nenhum corpo “possui calor”.

Cuidado para não cair nessa pegadinha!