Você já deve ter uma sensação intuitiva de que a temperatura é uma medida da "frieza" ou "calor" de um objeto. Muitas pessoas estão obcecadas em verificar a previsão para saber qual será a temperatura durante o dia. Mas o que a temperatura realmente significa na física?
Definição de Temperatura
A temperatura é uma medida da energia cinética média por molécula de uma substância. É diferente do calor, embora as duas quantidades estejam intimamente relacionadas. O calor é a energia transferida entre dois objetos em temperaturas diferentes.
Qualquer substância física à qual você possa atribuir a propriedade da temperatura é feita de átomos e moléculas. Esses átomos e moléculas não ficam parados, mesmo em um sólido. Eles estão constantemente se movendo e balançando, mas o movimento acontece em uma escala tão pequena que você não consegue ver.
Como você provavelmente se lembra de seu estudo de mecânica, objetos em movimento têm uma forma de energia chamadaenergia cinéticaisso está associado à sua massa e à velocidade com que se movem. Portanto, quando a temperatura é descrita como energia cinética média por molécula, é a energia associada a esse movimento molecular que está sendo descrito.
Escalas de temperatura
Existem muitas escalas diferentes pelas quais você pode medir a temperatura, mas as mais comuns são Fahrenheit, Celsius e Kelvin.
A escala Fahrenheit é o que aqueles que vivem nos Estados Unidos e em alguns outros países estão mais familiarizados. Nessa escala, a água congela a 32 graus Fahrenheit e a temperatura da água fervente é 212 F.
A escala Celsius (às vezes também chamada de centígrados) é usada na maioria dos outros países do mundo. Nesta escala, o ponto de congelamento da água está a 0 C e o ponto de ebulição da água está a 100 C.
A escala Kelvin, em homenagem a Lord Kelvin, é o padrão científico. O zero nesta escala está no zero absoluto, que é onde todo o movimento molecular pára. É considerada uma escala de temperatura absoluta.
Conversão entre escalas de temperatura
Para converter de Celsius para Fahrenheit, use a seguinte relação:
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
OndeTF é a temperatura em Fahrenheit, eTCé a temperatura em Celsius. Por exemplo, 20 graus Celsius é equivalente a:
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ text {graus Fahrenheit.}
Para converter na outra direção, de Fahrenheit para Celsius, use o seguinte:
T_C = \ frac {5} {9} (T_F - 32)
Para converter de Celsius para Kelvin, a fórmula é ainda mais simples porque o tamanho do incremento é o mesmo e eles apenas têm valores iniciais diferentes:
T_K = T_C + 273,15
Pontas
Em muitas expressões em termodinâmica, a quantidade importante éΔT(a mudança na temperatura) em oposição à própria temperatura absoluta. Como o grau Celsius tem o mesmo tamanho de um incremento na escala Kelvin,ΔTK = ΔTC, o que significa que essas unidades podem ser usadas intercambiáveis nesses casos. No entanto, sempre que uma temperatura absoluta for necessária, ela deve estar em Kelvin.
Transferência de calor
Quando dois objetos em temperaturas diferentes estão em contato um com o outro, ocorrerá a transferência de calor, com calor fluindo do objeto na temperatura mais alta para o objeto na temperatura mais baixa até que o equilíbrio térmico seja alcançado.
Esta transferência ocorre devido a colisões entre as moléculas de energia mais alta no objeto quente com as moléculas de energia mais baixa no objeto mais frio, transferindo energia para no processo até que ocorram colisões aleatórias suficientes entre as moléculas dos materiais, de modo que a energia se torne igualmente distribuída entre os objetos substâncias. Como resultado, uma nova temperatura final é alcançada, que fica entre as temperaturas originais dos objetos quentes e frios.
Outra maneira de pensar nisso é que a energia total contida em ambas as substâncias acaba sendo igualmente distribuída entre as substâncias.
A temperatura final de dois objetos em diferentes temperaturas iniciais, uma vez que atingem o equilíbrio térmico, pode ser encontrada usando a relação entre a energia térmicaQ, capacidade de calor específicac, massame a mudança de temperatura dada pela seguinte equação:
Q = mc \ Delta T
Exemplo:Suponha que 0,1 kg de moedas de cobre (cc= 390 J / kgK) a 50 graus Celsius são jogados em 0,1 kg de água (cC= 4.186 J / kgK) a 20 graus Celsius. Qual será a temperatura final quando o equilíbrio térmico for alcançado?
Solução: considere que o calor adicionado à água com os centavos será igual ao calor removido com os centavos. Então, se a água absorver calorQCOnde:
Q_w = m_wc_w \ Delta T_w
Então, para os centavos de cobre:
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ Delta T_c
Isso permite que você escreva o relacionamento:
m_cc_c \ Delta T_c = -m_wc_w \ Delta T_w
Então você pode aproveitar o fato de que tanto os centavos de cobre quanto a água devem ter a mesma temperatura final,Tf, de tal modo que:
\ Delta T_c = T_f-T_ {ic} \\\ Delta T_w = T_f-T_ {iw}
Conectando estesΔTexpressões na equação anterior, você pode então resolver paraTf. Um pouco de álgebra dá o seguinte resultado:
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Conectar os valores dá:
Nota: Se você está surpreso que o valor esteja tão próximo da temperatura inicial da água, considere as diferenças significativas entre o calor específico da água e o calor específico do cobre. É preciso muito mais energia para causar uma mudança de temperatura na água do que para causar uma mudança de temperatura no cobre.
Como funcionam os termômetros
Os antiquados termômetros de mercúrio com bulbo de vidro medem a temperatura fazendo uso das propriedades de expansão térmica do mercúrio. O mercúrio se expande quando aquecido e se contrai quando frio (e em um grau muito maior do que o termômetro de vidro que o contém.) Assim, conforme o mercúrio se expande, ele sobe dentro do tubo de vidro, permitindo medição.
Termômetros de mola - aqueles que geralmente têm uma face circular com um ponteiro de metal - também funcionam com base no princípio da expansão térmica. Eles contêm um pedaço de metal enrolado que se expande e esfria com base na temperatura, fazendo com que o ponteiro se mova.
Termômetros digitais usam cristais líquidos sensíveis ao calor para acionar displays digitais de temperatura.
Relação entre temperatura e energia interna
Enquanto a temperatura é uma medida da energia cinética média por molécula, a energia interna é o total de todas as energias cinética e potencial das moléculas. Para um gás ideal, onde a energia potencial das partículas devido às interações é desprezível, a energia interna totalEé dado pela fórmula:
E = \ frac {3} {2} nRT
Ondené o número de moles eRé a constante universal do gás = 8,3145 J / molK.
Não é de surpreender que, conforme a temperatura aumenta, a energia térmica também aumenta. Essa relação também deixa claro por que a escala Kelvin é importante. A energia interna deve ser qualquer valor 0 ou maior. Nunca faria sentido ser negativo. Não usar a escala Kelvin complicaria a equação de energia interna e exigiria a adição de uma constante para corrigi-la. A energia interna torna-se 0 em 0 K. absoluto