Temperatura

Os átomos e moléculas de uma substância nem sempre viajam na mesma velocidade. Isso significa que há uma faixa de energia (a energia do movimento) entre as moléculas. Em um gás, por exemplo, as moléculas viajam em direções aleatórias em uma variedade de velocidades – algumas são rápidas e outras lentas.

A temperatura é uma medida do calor médio ou energia térmica das partículas em uma substância. Como é uma medição média, não depende do número de partículas em um objeto. Nesse sentido, não depende do tamanho dele. Por exemplo, a temperatura de uma pequena xícara de água fervente é igual à temperatura de uma panela grande de água fervente. Mesmo que a panela grande seja muito maior que a xícara e tenha milhões e milhões de moléculas de água a mais.

História

Galeno, um cientista e médico grego, fez a primeira tentativa de medir a temperatura em 170 d.C. Ele documentou uma temperatura padrão “neutra” de partes iguais de água fervente e gelo. Ele acrescentou quatro graus de calor e quatro graus de frio em ambos os lados dessa temperatura neutra.

O conceito de medir a temperatura é relativamente novo. O termoscópio – essencialmente um termômetro sem escala – foi o precursor do termômetro moderno. Havia vários inventores trabalhando em termômetros em 1593, mas o mais conhecido é Galileo Galilei , um inventor italiano que também melhorou (mas não inventou) o telescópio.

Um termoscópio poderia mostrar as diferenças de temperatura, permitindo que os observadores soubessem se algo estava ficando mais quente ou mais frio. No entanto, o termoscópio não pôde fornecer uma temperatura exata em graus. Em 1612, o inventor italiano Santorio acrescentou uma escala numérica em seu termoscópio que foi usada para medir a temperatura humana.

Ferdinand II, o Grão-Duque da Toscana, seguiu em 1654, inventando o primeiro termômetro fechado, usando álcool como um líquido. Mas ainda faltava uma escala padronizada e precisa.

Na mesma época, o físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit conheceu Olaus Roemer, um astrônomo dinamarquês, que desenvolveu um termômetro à base de álcool usando vinho. Ele marcou dois pontos em seu termômetro – 60 para marcar a temperatura da água fervente e 7,5 como o ponto em que o gelo derreteu.

Em 1714, Fahrenheit refinou a invenção de Roemer e desenvolveu o primeiro termômetro moderno – o termômetro de mercúrio com medidas mais refinadas. O mercúrio se expande ou contrai à medida que a temperatura aumenta ou diminui.

Fahrenheit inventou um termômetro de álcool em 1709 antes de revelar seu equivalente de mercúrio, que se mostrou mais preciso.

Dez anos depois, ele revelou sua escala Fahrenheit homônima, que dividiu os pontos de congelamento e ebulição da água em 180 graus. Estabeleceu 32 graus foi como o ponto de congelamento de água e 212 graus como ponto de ebulição. Uma mistura igual de água, gelo e cloreto de amônio, foi usada para definir a temperatura em 0.

O aumento das escalas de temperatura

Fahrenheit é uma das três principais escalas de temperatura usadas atualmente, com as outras duas sendo Celsius e Kelvin. Fahrenheit é o padrão usado para medir a temperatura nos Estados Unidos, mas a maior parte do resto do mundo usa Celsius.

Não muito tempo depois que a escala de Fahrenheit foi revelada, o astrônomo sueco Anders Celsius saiu com sua escala de temperatura, que é chamada de escala Celsius. É às vezes chamado de escala centígrada, porque é dividido em 100 graus, separando os pontos de ebulição e congelamento da água. A escala original definia 0 como o ponto de ebulição da água e 100 como o ponto de congelamento, mas ele a inverteu pouco depois de inventar a escala.

O termo Celsius foi adotado em 1948 por uma conferência internacional sobre pesos e medidas e a escala é o indicador de temperatura preferido para aplicações científicas, assim como a maior parte do mundo, exceto dos Estados Unidos.

Lorde Kelvin da Escócia entrou em contato com seu medidor de temperatura em 1848, conhecido como a escala Kelvin. Ele baseou-se na ideia de temperatura absoluta, uma temperatura teórica na qual todas as substâncias não têm energia térmica. Não há números negativos na escala Kelvin, sendo 0 K a temperatura mais fria possível.

O zero absoluto converte-se para menos 273,15°C e menos 459,67°F. A escala Kelvin é comumente usada em aplicações científicas. As unidades na escala Kelvin são do mesmo tamanho que as da escala Celsius, exceto que a escala Kelvin define a temperatura mais baixa em 0.

Converter as temperaturas

• Fahrenheit para Celsius: Subtraia 32, multiplique por 5 e divida por 9
• Celsius para Fahrenheit: multiplique por 9, divida por 5 e, em seguida, adicione 32
• Fahrenheit to Kelvin: Subtraia 32, multiplique por 5, divida por 9 e some 273.15.
• Kelvin para Fahrenheit: Subtraia 273,15, multiplique por 1,8 e some 32.
• Kelvin para Celsius: Adicionar 273
• Celsius para Kelvin: Subtraia 273

Ponto de congelamento

O ponto de congelamento pode ser definido como a temperatura na qual um líquido se transforma em um sólido a uma determinada pressão. O ponto de congelamento é geralmente definido depois que um líquido é submetido a baixas temperaturas. No entanto, em algumas substâncias, o congelamento ocorre depois que o líquido experimenta um aumento na temperatura. A substância mais comum, a água, tem um ponto de congelamento de 0° Celsius.

Super-resfriamento

Super-resfriamento é o processo sob o qual um líquido não se transforma em forma sólida apesar de estar sujeito a temperaturas abaixo do ponto de congelamento. No entanto, se o líquido mantiver sua composição estrutural original, ele se solidificará.

Os líquidos super-resfriados têm propriedades físicas distintas, muitos dos quais ainda não foram conclusivamente compreendidos pelos cientistas. Sabe-se que a água permanece no estado líquido após super-resfriamento mesmo a temperaturas tão baixas quanto – 400°C. Para comparação, o ponto de congelamento da água pura em condições normais é 0°C.

Cristalização

Na maioria dos líquidos, o processo de congelamento envolve a cristalização. Cristalização é o processo no qual um líquido se transforma em uma forma sólida cristalina por exposição a baixas temperaturas e alterando a estrutura atômica do líquido para formar uma estrutura cristalina.

O congelamento é retardado durante a cristalização e as temperaturas permanecem constantes até o congelamento estar completo. Além da temperatura, outros fatores que afetam o processo de cristalização são a ionização e a polaridade do líquido.

Vitrificação

Existem numerosas substâncias que não cristalizam mesmo quando submetidas a baixas temperaturas, mas passam por um processo conhecido como vitrificação, onde mantem o seu estado líquido, mas as baixas temperaturas alteram as suas propriedades viscoelásticas. Tais substâncias são conhecidas como sólidos amorfos.

Alguns exemplos destes sólidos amorfos são glicerol e vidro. Algumas formas de polímeros são conhecidas por sofrerem vitrificação. O processo de vitrificação é distinto do congelamento, pois é definido como um processo de não-equilíbrio onde não existe equilíbrio entre uma forma cristalina e sua forma líquida.

Congelamento exotérmico e endotérmico

O processo de congelamento na maioria dos compostos é principalmente um processo exotérmico, o que significa que, para o líquido se transformar em um estado sólido, a pressão e o calor precisam ser liberados.

Esse calor que é liberado é um calor latente e também chamado de entalpia de fusão. A entalpia de fusão é a energia necessária para transformar um líquido em sólido e vice-versa. A única exceção notável a esta definição é qualquer líquido super-resfriado, devido à alteração de suas propriedades físicas.

Existe um elemento que é conhecido por exibir congelamento endotérmico onde a temperatura maior é necessária para que o congelamento ocorra. Este elemento é o Hélio-3 que, a uma certa pressão, requer um aumento da temperatura para o congelamento ocorrer e, portanto, pode ser denominado como uma entalpia negativa de fusão.

Aplicação do congelamento

O processo de congelamento tem muitos usos modernos. Um dos usos é para a preservação de alimentos. A razão por trás do sucesso do congelamento na conservação de alimentos é que ele reduz a taxa de reação dos compostos nos alimentos, além de impedir o crescimento de bactérias, limitando a disponibilidade de água líquida.

Ponto de Ebulição

O ponto de ebulição de uma substância é a temperatura na qual ela muda de líquido para gás em toda a massa do líquido. No ponto de ebulição, as moléculas em qualquer parte do líquido podem ser vaporizadas.

O ponto de ebulição é definido como a temperatura na qual a pressão de vapor saturado de um líquido é igual à pressão atmosférica circundante.