Temperatura e Calor

No estudo da termologia (do grego thermos, calor, e logos, estudo), dois conceitos são fundamento para todos os outros. São eles os conceitos de temperatura e calor.

Fisicamente, definimos temperatura como a medida indireta do grau de agitação das partículas dum corpo, ou seja, quanto maior a temperatura, maior a agitação dessas partículas. Geralmente denotamos a temperatura por $T$ ou então pela letra grega $\theta$ (theta). A energia associada a temperatura de um corpo é chamada energia térmica.

Os dispositivos criados para aferição de temperatura são chamados termômetros, com vários tipos existentes, dos mais rudimentares ou avançados. Os termômetros mais simples, como os de álcool, se apoiam no fenômeno da dilatação térmica.

Conhecemos dois limites fundamentais para a temperatura que algo pode assumir, sendo eles o zero absoluto $(0 \text { K})$ e a temperatura de Planck $(1.416 \cdot 10^{32} \text{ K})$. No extremo mais frio, temos a ausência total de qualquer movimento, enquanto no mais quente, o corpo emitiria uma radiação no menor comprimento de onda possível pelas nossas teorias científicas. Alcançar o zero absoluto e exceder a temperatura de Planck são, dessa forma, objetivos impossíveis.

Por outro lado, definimos calor como a energia térmica em trânsito. Essa energia sempre flui dos corpos de maior temperatura para os corpos de menor temperatura, até que seja alcançado o equilíbrio térmico, um estado do sistema físico em que todas as temperaturas são iguais. Logo, em sistemas fechados quando atingem o equilíbrio, sabemos que a quantidade de calor recebido pelos corpos mais frios é igual a quantidade de calor cedido pelos corpos mais quentes. Chamamos essa propriedade de Princípio das Trocas de Calor.

Escalas termométricas

Chamamos de escalas termométricas sistemas de referências numéricos utilizados para a aferição de temperatura. Diferentes escalas existem, com as mais utilizadas sendo as escalas Celcius, Fahrenheit e Kelvin.

Celsius

Anteriormente conhecida como “escala centígrada”, a escala Celcius foi criada em 1742 pelo físico sueco Anders Celcius. Originalmente, a escala tinha como pontos básicos de referência $0° \text C$ (ebulição da água) e $100° \text{C}$ (congelamento da água). Entretanto, uma reforma proposta em 1743 pelo físico francês Jean-Pierre Christin espelhou esses extremos, dando origem à escala que conhecemos hoje.

A razão de seu nome original vem da sua divisão em 100 gradum (”passos”, “degrais” em latim) inteiros entre seus extremos base.

Fahrenheit

Proposta por Daniel Gabriel Fahrenheit, um físico polaco-alemão-holandês, em 1724, a escala teve seus dois pontos originais de referência definidos como a temperatura de uma solução de água, gelo e cloreto de amônio, no seu extremo mais frio, e a temperatura média do corpo humano, no extremo mais quente. Na escala, as medidas são, respectivamente, $0° \text F$ e $96 °\text{F}$.

Dessa forma, os pontos de congelamento e ebulição da água são $32° \text{F}$ e $212 °\text{F}$. Esses pontos foram, no século XX, adotados como as novas referências da escala.

Por possuir mais “degraus” entre duas temperaturas do que a escala Celcius, o sistema de Fahrenheit é algumas vezes tido como “mais preciso” para uso comum, sem a necessidade de recorrer a casas decimais. Entretanto, esse “benefício” dificulta sua conversão em outras escalas termométricas, o que será visto mais adiante.

Kelvin

Definida como a escala de temperatura do Sistema Internacional de Unidades e utilizada pela comunidade científica, a escala Kelvin foi criada em 1848 pelo físico inglês William Thomson, mais conhecido pelo seu título nobiliárquico, Lorde Kelvin.

Dividida em partes inteiras de forma semelhante a escala Celcius (e por isso inicialmente conhecida como a escala de “Celcius absolutos”), possui seu diferencial por representar a temperatura real dos corpos, isto é, nos fornecer uma referência congruente com a movimentação dos átomos que os compõem. Dessa escala surge a ideia de zero absoluto, mencionada anteriormente, que indica a ausência de movimentação das partículas.

A razão da impossibilidade de atingir essa temperatura vem dos estudos da termodinâmica, mais precisamente de sua terceira lei. Resfriar um corpo até que ele não possuísse qualquer movimentação em suas partículas iria implicar na criação de um corpo sem entropia, o que é impossível.

Conversão de escalas

Muitas outras escalas foram inventadas para a medição da temperatura, como as escalas Rankine $(°\text R)$, Roemer $(°\text{R}ø)$ ou Newton $(°\text N)$. Por essa grande variedade e, simultaneamente, pela ausência de utilização de um único padrão em todos os casos, é necessária muitas vezes a conversão entre diferentes escalas termométricas.

Por uma aplicação do teorema de Tales, também conhecido pela denominação teorema da interceptação para diferenciá-lo do outro “teorema de Tales”, é possível relacionar duas escalas quaisquer, $A$ e $B$, se soubermos quatro temperaturas $A_1, A_2, B_1, B_2$ de forma que $A_1 =B_1, A_2 = B_2$ e $A_1 > B_1$.

Uma das expressões resultantes possíveis dessa aplicação é a equação abaixo, com $a,b$ sendo temperaturas quaisquer em suas respectivas escalas. Resolver essa equação significa encontrar uma função entre as duas escalas que ligue cada temperatura $a$ a uma temperatura $b$, e vice-versa.

Dessa aplicação também decorre uma equação especial para conversão entre as escalas Celcius, Kelvin e Fahrenheit.