Escalas termométricas

Termômetro de escala Celsius

O que são escalas termométricas?

As Escalas termométricas Eles são aqueles usados ​​em medição de temperatura, uma magnitude escalar que serve para quantificar a energia térmica de um sistema. O dispositivo usado para medir a temperatura, ou seja, um termômetro, deve incorporar uma escala para poder ler.

Para construir uma escala apropriada, você deve levar dois pontos de referência e dividir o intervalo entre eles. Essas divisões são chamadas de graus. Dessa maneira, a temperatura do objeto a ser medida é comparada, que pode ser a temperatura do café, banho ou temperatura corporal, com a referência marcada no instrumento.

As escalas de temperatura mais usadas são Celsius, Fahrenheit, Kelvin e Rankine Scales. Todos são igualmente apropriados para medir a temperatura, uma vez que os pontos selecionados como referência são arbitrários.

Tanto na escala Celsius quanto na escala Fahrenheit zero da escala não indica a ausência de temperatura. Por esse motivo, eles são escalas relativas. Por outro lado, para a escala de Kelvin e a escala Rankine, o 0 representa a cessação da atividade molecular, portanto eles são considerados Escalas absolutas.

Escala Celsius

Termômetro digital clínico graduado em graus Celsius. Fonte: Simon Schoar/CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/2.5)

Esta escala foi inventada pelo astrônomo sueco do século 18 Anders C. Celsius (1701-1744), cerca de 1735. Muito intuitivo, essa escala usa o ponto de congelamento e o ponto de ebulição da água à pressão atmosférica normal (1 atm) como pontos de referência.

A água é uma substância universal muito apropriada para isso, e seus valores são fáceis de obter no laboratório.

Na escala Celsius, o ponto de congelamento da água é o correspondente a 0 ° C e o ponto de ebulição a 100 ° C, embora originalmente Celsius os tenha proposto ao contrário e, posteriormente, a ordem foi investida. Entre esses dois valores de referência, existem 100 divisões idênticas, por isso às vezes é conhecido como escala Celsius.

Equivalências

Para estabelecer uma equivalência entre os graus Celsius e outras escalas de temperatura, dois aspectos devem ser levados em consideração:

• A relação entre a escala Celsius e a outra escala é linear, portanto é a forma:

y = m.x +b

-Você precisa conhecer os pontos de referência de ambas as escalas.

Exemplo: equivalência entre Celsius e Fahrenheit Scales

Deixe t_ºC A temperatura na escala Celsius e T_ºf A temperatura na escala de Fahrenheit, portanto:

T_ºC = m. T_ºf + b

Sabe -se que 0 ºC = 32 ºF e 100 ºC = 212 ºF. Substituímos esses valores na equação anterior e obtemos:

Pode atendê -lo: capacidade de calor

0 = 32m + b

100 = 212m + b

Este é um sistema de duas equações lineares com duas incógnitas, que podem ser resolvidas por qualquer um dos métodos conhecidos. Por exemplo, por redução:

100 = 212m + b

0 = -32m - B

____________________

100 = 180m

M = 100 /180 = 5/9

Sabendo m, nós obtemos b Por substituição:

B = -32m = -32. (5/9) = -160/9

Agora substituímos os valores de m e b Em nossa equação da equação para obter:

T_ºC = (5/9). T_ºf - (160/9) = (5T_ºf -160)/9

Equivalentemente: T_ºC = (5/9). (T_ºf - 32)

Esta equação permite passar os graus de Fahrenheit para graus Celsius diretamente, apenas escrevendo o valor onde t aparece_ºf.

Exemplo: equivalência entre Celsius e Kelvin Scales

Muitas experiências foram realizadas para tentar medir a temperatura absoluta zero, ou seja, o valor para o qual toda atividade molecular desaparece em um gás. Esta temperatura é de cerca de -273 ºC.

Ser T_K A temperatura em Kelvin -a palavra "grau" para essa escala não é usada, a equivalência é:

T_ºC = T_K - 273

Isto é, as escalas diferem na escala de Kelvin não tem valores negativos. Na relação Celsius - Fahrenheit, a inclinação da linha vale 5/9 e, neste caso, vale 1.

Os graus de Kelvins e Celsius são do mesmo tamanho, apenas que a escala de Kelvin, como pode ser visto do exposto, não contemplam valores de temperatura negativa.

Escala de Fahrenheit

Termômetro de parede com escala principal em graus Fahrenheit e escala secundária em graus Celsius

Daniel Fahrenheit (1686-1736) era um físico de origem alemã nascida na Polônia. Por volta de 1715, Fahrenheit fabricou um termômetro com uma escala de referência de referência escolhida arbitrariamente. Desde então, é usado muito em países de língua inglesa.

Originalmente, Fahrenheit escolheu a temperatura de uma mistura de gelo e sal para o ponto de referência inferior e o estabeleceu como 0 °. Para o outro ponto, ele selecionou a temperatura do corpo humano e o colocou a 100 graus.

Como esperado, ele teve alguns problemas para determinar qual é a temperatura corporal "normal", porque muda ao longo do dia ou de um dia para outro sem que a pessoa esteja necessariamente doente.

Acontece que existem pessoas totalmente saudáveis ​​com 99 temperatura corporal.1 ºf, enquanto para outros é normal ter 98.6 ºF. O último é o valor médio para a população em geral.

Portanto, os pontos de referência da escala de Fahrenheit tiveram que mudar para o ponto de congelamento da água, que foi estabelecido em 32 ºf e a ebulição em 212 ºf. Finalmente, a escala foi dividida em 180 intervalos iguais.

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Converter graus Fahrenheit em graus Celsius

A partir da equação mostrada acima, segue -se que:

T_ºf = (9/5) t_ºC + 32

Da mesma maneira que podemos considerar assim: a escala Celsius tem 100 graus, enquanto a escala Fahrenheit tem 180 graus. Então, para cada aumento ou diminuição de 1 ºC, há um aumento ou uma diminuição de 1.8 ºf = (9/5) ºf

Exemplo

Através das equações acima, encontre uma fórmula que permita que os graus de Fahrenheit sejam passados ​​na escala de Kelvin:

Sabendo disso: T_ºC = T_K - 273 e substituindo a equação já deduzida, você tem:

T_ºC = T_K - 273

Portanto: T_ºf = (9/5) (t_K - 273) + 32 = (9/5) t_K - 459.4

Escala Kelvin

Comparação das escalas de Celsius e Kelvin em um termômetro esclarecido. Fonte: Celsius_kelvin_estandar_1954.PNG: Homo Logosderivative Work: Kismalac/CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)

William Thomson (1824-1907), Lord Kelvin, propôs uma escala sem pontos de referência arbitrários. Esta é a escala de temperatura absoluta que leva seu nome, proposto em 1892. Não tem valores de temperatura negativa, pois o absoluto 0 é a temperatura mais baixa possível.

À temperatura de 0 K, qualquer movimento das moléculas cessou completamente. Esta é a escala do sistema internacional (SI), embora a escala Celsius também seja considerada uma unidade acessória. Lembre -se de que a escala Kelvin não usa "graus", portanto, qualquer temperatura é expressa como o valor numérico mais a unidade, chamada "Kelvin".

Até agora, o zero absoluto não foi alcançado, mas os cientistas se aproximaram o suficiente.

De fato, nos laboratórios especializados em baixas temperaturas, eles conseguiram resfriar as amostras de sódio para 700 nanokelvin ou 700 x 1010^-9 Kelvin. Por outro lado, em direção ao outro extremo da escala, sabe -se que uma explosão nuclear pode gerar temperaturas de 100 ou mais milhões de kelvin.

Cada Kelvin corresponde a 1/273.16 partes da temperatura tripla da água. Nesta temperatura, as três fases de água estão em equilíbrio.

Kelvin Scale e Celsius e Fahrenheit escalas

A relação entre as escalas de Kelvin e Celsius é -Dedondeanda 273.16 a 273-:

T_K = T_ºC + 273

Da mesma forma, por substituição, é obtida uma relação entre as escalas de Kelvin e Fahrenheit:

T_K = 5 (t_ºf + 459.4)/9

Escala Rankine

A escala Rankine foi proposta por William Rankine, um engenheiro nascido na Escócia (1820-1872). Pioneiro da Revolução Industrial, fez grandes contribuições para a termodinâmica. Em 1859, ele propôs uma escala de temperatura absoluta, definindo zero a -459,67 ° F.

Nesta escala, o tamanho dos graus é o mesmo que na escala Fahrenheit. A escala Rankine é indicada como R e, como na escala de Kelvin, seus valores não são chamados de graus, mas Rankine.

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Desta forma:

0 k = 0 r = −459,67 ° F = - 273.15 ºC

Em resumo, aqui estão as conversões necessárias para ir para a escala de Rankine de qualquer uma das já descritas:

Conversões de escala de temperatura rankine. Fonte: f. Zapata.

Escala de Réaumur

Outra escala de temperatura usada anteriormente é a escala Réaumur, que é indicada como graus ou ºR. Atualmente está em desuso, embora tenha sido muito usado na Europa até que fosse deslocado pela escala Celsius.

Foi criado por René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) por volta de 1731. Suas referências são: 0 ° R para o ponto de congelamento da água e 80 ° R para o ponto de ebulição.

Como pode ser visto, coincide com a escala Celsius em zero, mas é claro que não em outros valores. Está relacionado à escala Celsius através de:

T_ºR= (4/5) T_ºC

Existem também outras equivalências:

T_ºR= (4/5) (T_K - 273) = (4/9)(T_ºf-32)= (4/5)(5.T_R/9 -273) = (4/9) t_R - 218.4

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Encontre o valor numérico em que a escala Celsius coincide com a escala Fahrenheit.

Solução

Como já vimos nas seções anteriores, essas escalas não coincidem, pois os pontos de referência são diferentes; No entanto, é possível encontrar um valor x, de modo que representa a mesma temperatura em ambas as escalas. Portanto, a equação é realizada:

T_ºC = (5/9). T_ºf - (160/9) = (5T_ºf -160)/9

E como as temperaturas devem coincidir, então T_ºC  = T_ºf = x, Segue que:

x = (5x - 160)/9

9x = 5x -160

4x = -160

x = - 40

Quando T_ºC  = -40 ºC, também T_ºf = -40 ºF

Exercício 2

O vapor que sai de uma caldeira está a uma temperatura de 610 ºR. Encontre a temperatura em graus Fahrenheit e em graus Celsius.

Solução

São usadas as equivalências encontradas na seção da escala de Réaumur: T_ºC=(5/4) T_ºR = (5/4). 610 º C = 762.5 ºC.

Você pode girar esse valor encontrado para passar para os graus Fahrenheit ou usar outra das conversões acima mencionadas:

T_ºf = (9/5) t_ºC + 32 = (9/5) 762.5+ 32 ºC = 1404.5 ºF

Ou este outro, que dá o mesmo resultado: T_ºR = (4/9)(T_ºf - 32)

Limpa: T_ºf = (9/4) t_ºR + 32 = (9/4) 610 + 32 ºF = 1404.5 ºF.

Resumo das conversões

Em resumo, a tabela a seguir facilita as conversões para todas as escalas descritas:

Caixa de conversões para escalas de temperatura. Fonte: f. Zapata.

Referências

1. Escalas de temperatura. Recuperado de: tales.Cica.é.
2. Cavaleiro, r.  2017. Física para cientistas e engenharia: uma abordagem de estratégia. Pearson.
3. Tillery, b. 2012. Ciência física. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Celsius Grade. Recuperado de: é.Wikipedia.org
5. Wikipedia. Grade Fahrenheit. Recuperado de: é.Wikipedia.org.
6. Wikipedia. Rankine. Recuperado de: é.Wikipedia.org.