Temperatura Definida
A temperatura é uma medida de quão quente ou fria algo está; especificamente, uma medida da energia cinética média das partículas em um objeto, que é um tipo de energia associada ao movimento. Mas quão quente é quente e quão frio é frio? Os termos quente e frio não são muito científicos. Se realmente quisermos especificar o quão quente ou fria algo é, devemos usar a temperatura. Por exemplo, quão quente é o ferro derretido? Para responder a essa pergunta, um cientista físico mede a temperatura do metal líquido. Usar temperatura em vez de palavras, como quente ou frio, reduz a confusão.
A temperatura depende da energia cinética das partículas
Toda matéria é feita de partículas – átomos ou moléculas – que estão em movimento constante. Como as partículas estão em movimento, elas têm energia cinética. Quanto mais rápido as partículas se movem, mais energia cinética elas têm. O que a temperatura tem a ver com a energia cinética? Bem, como descrito nesta figura, quanto mais energia cinética as partículas de um objeto têm, maior é a temperatura do objeto.
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A temperatura é uma medida média. As partículas de matéria estão em constante movimento, mas nem todas se movem na mesma velocidade e na mesma direção o tempo todo. Como podemos ver nesta figura, o movimento das partículas é aleatório. As partículas de matéria em um objeto se movem em direções diferentes e algumas partículas se movem mais rápido do que outras. Como resultado, algumas partículas têm mais energia cinética do que outras. Então, o que determina a temperatura de um objeto? A temperatura de um objeto é a melhor aproximação da energia cinética das partículas. Quando medimos a temperatura de um objeto, medimos a energia cinética média das partículas no objeto.
Quanto mais alta a temperatura, mais rápido as moléculas da substância se movem, em média. Os corantes se espalham mais rapidamente na água quente do que na água fria. Isso ocorre por causa do aumento do movimento das moléculas. A temperatura não tem a ver com o número de moléculas envolvidas. Sob determinadas condições, as temperaturas das amostras de 10 ml e 100 ml de água fervente são iguais. Isso significa que a energia cinética média das moléculas é a mesma para as duas quantidades diferentes de água.
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Nesta imagem, há mais chá no bule do que na caneca, mas a temperatura do chá na caneca é a mesma que a temperatura do chá no bule.
Temperatura de medição
Como as moléculas são tão pequenas, você deve usar um método indireto para medir a energia cinética das moléculas de uma substância. Conforme o calor é adicionado a uma substância, as moléculas se movem mais rapidamente. Esse movimento aumentado causa um pequeno aumento no volume, ou quantidade de espaço, ocupado pela maioria dos materiais. Existem dispositivos que usam a expansão de uma substância para fornecer uma medida indireta de temperatura. Esses dispositivos são chamados de termômetros .
Existem muitos tipos de termômetros. Muitos termômetros são tubos de vidro finos cheios de um líquido. Mercúrio e álcool são freqüentemente usados em termômetros porque permanecem líquidos em uma ampla faixa de temperatura. Uma mudança na temperatura causa uma pequena mudança no volume do líquido. No entanto, esse efeito é ampliado quando o líquido se expande no tubo muito fino do termômetro.
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Alguns termômetros envolvem o uso de tiras bimetálicas. Em tais termômetros, tiras feitas de dois metais diferentes são coladas ou coladas. Como os metais se expandem em taxas diferentes, a tira combinada dobra em uma certa direção quando é aquecida. Quando esfria, ele se curva na direção oposta. A figura abaixo mostra uma tira bimetálica usada como termostato. Um termostato é um dispositivo usado para controlar sistemas de aquecimento e resfriamento.
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Alguns termômetros, freqüentemente usados na parte externa de aquários, contêm cristais líquidos que mudam de cor com base na temperatura. À medida que a temperatura aumenta, as moléculas do cristal líquido se chocam cada vez mais. Isso causa uma mudança na estrutura dos cristais, que por sua vez afeta sua cor. Esses termômetros são capazes de determinar com precisão a temperatura entre 65 F e 85 F.
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Um termômetro sem marcas ou graduações não seria muito útil para você. Um termômetro é calibrado marcando dois pontos fixos. O espaço entre esses pontos fixos é dividido em divisões chamadas graus . Os graus são usados para indicar a temperatura. Existem três tipos de escalas de temperatura comumente usadas hoje: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Estamos acostumados a expressar a temperatura em graus Fahrenheit (F). Os cientistas costumam usar graus Celsius (C), mas Kelvin (K) é a unidade SI para temperatura.
Os termômetros podem medir a temperatura devido à expansão térmica. A expansão térmica é o aumento do volume de uma substância devido ao aumento da temperatura. À medida que uma substância fica mais quente, suas partículas se movem mais rápido. As próprias partículas não se expandem; eles apenas se espalham para que toda a substância se expanda. Diferentes substâncias se expandem em diferentes quantidades para uma determinada mudança de temperatura. Quando você insere um termômetro em uma substância quente, o líquido dentro do termômetro se expande e sobe. Você mede a temperatura de uma substância medindo a expansão do líquido no termômetro.
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Energia Térmica e Cinética
Os átomos estão sempre em movimento. Imagine que você tenha um microscópio poderoso o suficiente para ver moléculas individuais em um composto (ou átomos no caso de um elemento). Você veria que as moléculas estão em movimento constante, mesmo em um objeto sólido. Em um sólido, as moléculas não estão fixas no lugar, mas agem como se estivessem conectadas por molas, conforme mostrado aqui:
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Cada molécula permanece no mesmo lugar médio, mas balança constantemente para frente e para trás em todas as direções. Como você pode imaginar, o ‘balançar’ significa movimento e movimento significa energia. Este ‘balançar’ é causado pela energia térmica, que é um tipo de energia cinética.
A energia térmica é proporcional à temperatura; quando a temperatura sobe, a energia do movimento aumenta. Isso significa que as moléculas ‘balançam’ com mais vigor. Quanto mais alta a temperatura, mais energia térmica as moléculas têm e mais rápido se movem. A temperatura mede um tipo específico de energia cinética por molécula.
Quando as moléculas de uma substância absorvem energia, elas tendem a se mover mais rápido. Uma molécula se move mais rapidamente se tiver mais energia cinética. Se você joga uma pedra, a rocha obtém mais energia cinética, mas a temperatura da rocha não sobe. Como pode a temperatura medir a energia cinética então? A resposta é a diferença entre o movimento aleatório das moléculas e o movimento médio do objeto. Para uma coleção de muitas moléculas (como uma rocha), a energia cinética tem duas partes. A energia cinética da pedra lançada vem do movimento médio de toda a coleção, toda a pedra. Essa energia cinética não é o que a temperatura mede.
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Cada molécula na rocha também está ‘balançando’ para frente e para trás, independentemente das outras moléculas na rocha. Este movimento ‘balançante’ é um movimento aleatório. Em média, existem tantas moléculas se movendo em uma direção quanto na direção oposta. A temperatura mede a energia cinética do movimento aleatório. A temperatura não é afetada por nenhuma energia cinética associada ao movimento médio. É por isso que atirar uma pedra não a torna mais quente.
Exemplo de temperatura
Vamos aprender mais sobre temperatura e expansão térmica com um exemplo. Você já atravessou uma ponte rodoviária de carro? Você provavelmente ouviu e sentiu um ‘thuh-thunk’ a cada dois segundos ao cruzar a ponte. Esse som ocorre quando o carro passa por pequenas lacunas chamadas juntas de dilatação.
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Os segmentos de concreto de uma ponte podem se expandir em dias quentes. Quando a temperatura cai, os segmentos se contraem. Essas juntas evitam que a ponte se curve como resultado da expansão térmica. Lembre-se de que a expansão térmica é o aumento no volume de uma substância devido ao aumento da temperatura.
Resumo da lição
Calor e temperatura estão relacionados, mas não são iguais. A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas de uma substância. Quanto mais alta a temperatura de um objeto, mais alta é sua energia cinética. A energia cinética é um tipo de energia associada ao movimento. A temperatura é medida com termômetros , que são dispositivos que usam a expansão de uma substância para fornecer uma medida indireta da temperatura. As unidades usadas para medir a temperatura são chamadas de graus . Quando a temperatura aumenta em um objeto, as moléculas dentro dele começam a se mover mais rápido, e isso faz com que o objeto se expanda. A expansão térmica é o aumento do volume de uma substância devido ao aumento da temperatura.
Resultados de Aprendizagem
Depois de concluir esta lição, você será capaz de:
- Definir temperatura
- Explique a relação entre temperatura e energia cinética
- Descreva como a temperatura é medida
- Lembre-se de como ocorre a expansão térmica