Escalas de Temperatura e Lei Zero
Produzido por Rafael Cardoso BrandãoTeoria
Temperatura
Quando uma balança com pesos em cada lado consegue se equilibrar e ficar parada, concluímos que esses dois objetos têm a mesma massa. Ou seja, seus valores iguais de massa fazem a balança parar de se movimentar.
E quando dois blocos de metal param de esquentar ou esfriar, depois de ficarem algum tempo em contato? Eles passam a ter valores iguais de alguma outra propriedade? Sim! Quando isso ocorre, dizemos que eles têm o mesmo valor de temperatura ou que estão em equilíbrio térmico entre si. A temperatura é uma propriedade intensiva desses objetos.
Se um bloco quente tiver contato com um bloco mais frio, eles vão trocar calor até pararem de esfriar e aquecer. Em outras palavras, se dois objetos com temperaturas diferentes entram em contato, eles trocam energia por calor até ficarem com temperaturas iguais. Ou seja, essa diferença de temperatura determina se tem ou não calor atravessando a fronteira do sistema!
Por isso, para saber se a temperatura de um objeto é igual à temperatura de outro objeto, é só botar os dois em contato. Se as temperaturas já eram iguais, elas não vão variar. Se elas eram diferentes, vão diminuir ou aumentar até se igualarem. Mas como eu posso descobrir, se o Rio de Janeiro está tão quente quanto o deserto do Saara, se não consigo pôr os dois em contato?
Lei zero da termodinâmica
Podemos medir se a temperatura dos dois lugares são iguais, usando um objeto. A lei zero da termodinâmica diz que: se a temperatura desse objeto for igual às temperaturas do Rio de Janeiro e do deserto do Saara ao mesmo tempo, então, com certeza, o Rio de Janeiro e o Saara têm temperaturas iguais.
Falando isso de outra forma: se esse objeto tiver em equilíbrio térmico com o Rio de Janeiro e com o Saara ao mesmo tempo, podemos afirmar que o Rio de Janeiro está em equilíbrio térmico com o Saara. Isso funciona sempre que comparamos a temperatura de dois objetos, utilizando um terceiro objeto.
Para esse caso geral, que compara dois objetos, a lei zero diz que: quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si.
Em termodinâmica, chamamos esse terceiro objeto ou terceiro corpo de termômetro.
Escala de temperatura Celsius e escala de temperatura Fahrenheit
Como foi dito antes, testamos se dois objetos tinham temperaturas iguais, se elas não variarem, quando os dois estiverem em contato. Mas nem sempre podemos sentir essa alteração de temperatura, colocando nossa própria mão nos objetos. As vezes eles estão muito quentes! Então como podemos medir se existe essa mudança, sem usar o toque?
Aproveitando o fato de que um objeto aumenta de volume, quando é aquecido! Se usarmos como nosso termômetro recipiente de vidro com mercúrio líquido, o mercúrio vai expandir, com o aumento de , ou contrair, com a diminuição de . Essa alteração de volume gera uma alteração na altura da coluna de mercúrio no vidro. Dessa forma, conseguimos medir a temperatura e o quanto ela varia!
Chamamos as marcações presentes nos termômetros de escalas. As escalas de temperatura mais comuns são: a escala Celsius (utilizada no Sistema Internacional), a escala Fahrenheit e a escala Kelvin (também utilizada no Sistema Internacional).
Assim como usamos réguas com escalas diferentes para medir um mesmo tamanho, usamos termômetros com escalas diferentes para medir a mesma temperatura.
A escala de temperatura Celsius usa o grau Celsius como unidade. Já a escala de temperatura Fahrenheit usa o grau Fahrenheit como unidade. Para converter a unidade grau Fahrenheit para grau Celsius, usamos a seguinte fórmula:
Atenção! Se quisermos converter uma diferença de temperatura medida em grau Fahrenheit para uma diferença de temperatura em grau Celsius, precisamos usar outra equação:
onde é a diferença de temperatura.
Por essa expressão, vemos que:
Escala absoluta de temperatura
A grande diferença entre a escala Kelvin e as escalas mostradas antes, é que o valor de temperatura nula nessa escala tem um significado especial. Nenhum objeto pode alcançar um valor de temperatura menor que zero kelvin. Ou seja, ao contrário das outras escalas, a escala Kelvin não tem valor negativo de temperatura.
Além disso, a temperatura de zero kelvin é inatingível. Por ela ser um limite inferior da escala, é chamada de zero absoluto. Por esse mesmo motivo, a escala Kelvin é chamada de escala absoluta de temperatura.
A unidade Kelvin possui tamanho igual ao grau Celsius. Ou seja, o valor das diferenças de temperatura em kelvin é igual ao valor em grau Celsius.
Apesar de suas unidades possuírem o mesmo valor, os valores de temperatura medidos por elas são diferentes. A fórmula que converte uma temperatura em grau Celsius para uma em Kelvin é:
Ou seja, a temperatura de ebulição da água a pressão atmosférica vale:
Já o valor de temperatura de fusão da água a pressão atmosférica é: