Fluidos e Termodinâmica - técnicas de medição de temperatura

 03 de Nov. de 2020 | Rafaela Botelho

EXPERIMENTO: TÉCNICAS DE MEDIÇÕES ENVOLVENDO CONCEITOS DE FLUIDOS E TERMODINÂMICA.

Objetivo

O objetivo deste experimento é ilustrar o conceito de temperatura, observar e entender o funcionamento de um termômetro e das escalas termométricas. Associar os pontos de gelo e de ebulição da água como referenciais para a construção de uma escala termométrica. 

Contexto

As escalas termométricas são utilizadas para medir a temperatura (medida do grau de agitação das moléculas), ou seja, elas são utilizadas para indicar se um determinado corpo está quente ou frio. Hoje em dia são mais utilizadas as seguintes escalas: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Essas escalas utilizam como padrão os pontos de fusão e ebulição da água. 

Escala Celsius – é uma escala termométrica centígrada, ou seja, que apresenta cem intervalos entre os pontos de fusão e ebulição. Ela foi determinada em 1742 por Anders Celsius, que inicialmente desenvolveu a escala Celsius, chamou-a de Centígrado, mas no ano de 1948 a escala passou a ser chamada de Celsius em homenagem ao seu criador e para evitar confusões com a sigla SI (Sistema Internacional). Utiliza-se como referência para a escala termométrica os seguintes valores para os pontos de fusão e ebulição da água:

Ponto de fusão da água = 0˚C
Ponto de ebulição da água = 100˚C

Escala Fahrenheit - foi desenvolvida pelo físico e engenheiro Gabriel Fahrenheit em 1724, após obter conhecimento sobre a construção de termômetros de mercúrio. Fahrenheit utilizou como referência os valores dos pontos de fusão e ebulição da água, para os quais ele adotou os seguintes valores:

Ponto de fusão da água = 32˚F
Ponto de ebulição da água = 212˚F

Como temos 180 intervalos entre as temperaturas 32 e 212, a escala Fahrenheit não é  considerada centígrada, como é a escala Celsius.

Escala Kelvin - foi proposta em 1864 pelo físico e engenheiro irlandês William Thomson, o qual também era conhecido como Lord Kelvin. Ele acreditava que era necessária uma escala termométrica que pudesse atribuir a um material uma total ausência de movimentação de suas partículas, o que ele chamou de zero absoluto. Assim, sua escala não poderia apresentar valores negativos para a temperatura, atualmente é a escala termométrica adotada pelo Sistema Internacional. Utilizou-se como referência os seguintes pontos de fusão e ebulição da água:

Ponto de fusão da água = 273 K
Ponto de ebulição da água = 373 K

Para converter as escalas, tendo TC = Temperatura em graus Celsius; TF = Temperatura em graus Fahrenheit; e TK = Temperatura em Kelvin; iremos utilizar a seguinte relação de conversão:

(Tc-0)/100 = (TF - 32)/(212-32) = (TK - 273)/100, resultando em: (Tc - 0)/100 = (TF - 32)/180 = (TK - 273)/100

Podemos ver que para a conversão da escala Celsius para a escala Kelvin, basta adicionar 273, pois ambas são escalas subdivididas por 100 unidades entre os mesmos pontos fixos: TK = TC +273.

Para transformas a escala de Celsius para Fahrenheit, ou vice-versa, temos: (Tc-0)/100 = (TF - 32)/180 → 100(TF - 32) = 180Tc → TF - 32 = 180Tc/100, resultando em TF = 1,8Tc + 32 ou Tc/5 = (TF - 32)/9.

Por fim, para transformar Kelvin para Fahrenheit ou Fahrenheit para Kelvin, temos o seguinte: (TF - 32)/9 = (TK - 273)/5.

Material

• 1 frasco pequeno de vidro (de medicamento, de conserva de pimenta, por exemplo);

• Água, gelo;

• Tinta (de carimbo);

• Um tubo de tinta vazio de caneta esferográfica;

• Cola (silicone);

• Uma rolha, caso o frasco não tenha a tampa emborrachada;

• Ebulidor e uma caneca para aquecer água;

• Régua;

• Um pedaço de cartolina suficiente para fixar a régua;

• Álcool;

• Termômetro.

Montagem

• Dilua a tinta no álcool e encha o frasco até a borda. 

• Faça um furo na rolha e introduza o tubo de tinta. Vede bem com cola de silicone.

• Recorte a cartolina (do mesmo tamanho que a régua) e cole na régua.

• Fixe a régua revestida no tubo.

• Encaixe a rolha no frasco, faça ajustes se necessário e vede as bordas com a cola de silicone, cuidando para que não fique ar entre o álcool. O álcool vai subir até certa altura no tubo.

• Coloque o frasco imerso na mistura de água com gelo picado. Espere aproximadamente dois minutos e marque na cartolina o ponto correspondente à altura da coluna de líquido.

• Esquente a água até ela atingir 50ºC. Verifique a temperatura com o termômetro. Coloque o tubo imerso na água a 50ºC. Espere aproximadamente dois minutos e marque na cartolina o ponto correspondente à altura da coluna de líquido;

• Agora você tem dados suficientes para construir uma escala para o seu termômetro, pois conhece dois de seus pares: ho ==> 0ºC e h1 ==> 50ºC. 

• Meça a distância correspondente ao intervalo de 0ºC a 50ºC (h1 — h0) e calcule por 'regra de três' a distância correspondente a 1ºC. Com isso, você pode fazer marcas no tubo de 1 em 1ºC, desde 0ºC até 50ºC.

Experimento

Esquente a água até ela atingir 50ºC e verifique a temperatura com o termômetro. Coloque o tubo imerso na água a 50ºC e em seguida espere aproximadamente dois minutos e marque na cartolina o ponto correspondente à altura da coluna de líquido; 

Agora você tem dados suficientes para construir uma escala para o seu termômetro, pois conhece dois de seus pares: h0 ==> 0ºC e h1 ==> 50ºC. Faça a medição da distância correspondente ao intervalo de 0ºC a 50ºC (h1 — h0) e calcule por (pode-se utilizar regra de três) a distância correspondente a 1ºC. Com isso, você pode fazer marcas no tubo de 1 em 1ºC, desde 0ºC até 50ºC. 

Nesta atividade os alunos poderão ter alguma dificuldade em montar uma escala no termômetro que fizeram, mas é um momento importante para trabalhar as relações matemáticas que estão presentes nesse conteúdo da Física. Ressalta-se, também, a simplicidade deste instrumento, o termômetro, que pode servir para introduzir novos desafios para os alunos, como pesquisa sobre o tema, a evolução do termômetro, sua aplicação e uso. Ao deixarem o termômetro em repouso em gelo, ou na água a 50º, estarão, na prática, marcando dois pontos fixos do termômetro, necessários para a escala que irão montar. Outra opção que dispensaria o uso do termômetro seria usar água colorida no termômetro e marcar a altura da coluna de líquido na ebulição. Mas isso vai depender do tamanho do tubo disponível. A coluna de água será bem maior que a do álcool. Pode-se também, utilizando-se o termômetro de mercúrio, comparar tamanho da coluna com a do Termoscópio, a diferença na escala.

REFERÊNCIAS
FILHO, BENIGNO BARRETO; SILVA, CLÁUDIO XAVIER DA. Física aula por aula: mecânica dos fluidos, termologia, óptica: 2º ano – 2ª ed. São Paulo: FDT; 2013. p. 73-83.