Termologia

A Termologia é o ramo da Física responsável por estudar os fenômenos associados ao calor e à temperatura, sendo subdividida em Calorimetria, Termometria e Termodinâmica. Ela é muito importante devido às várias aplicações que possui em nosso cotidiano. Por exemplo, por meio da medição da temperatura do nosso corpo, conseguimos saber se estamos doentes.

Veja também: Dinâmica — a área da Física em que se estuda o comportamento de corpos em movimento

O que é Termologia?

A Termologia é o campo da Física responsável por investigar os fenômenos associados ao calor e à temperatura.

O que a Termologia estuda?

Os estudos da Termologia são divididos em três áreas. Veja sobre cada uma delas a seguir:

• Termometria: a área que estuda a temperatura, o termômetro e as escalas termométricas.

• Calorimetria: a área que estuda o calor e os fênomenos que o envolvem.

• Termodinâmica: a área que estuda as relações entre a pressão, volume e temperatura com outras grandezas físicas, por meio das leis da Termodinâmica.

Conceitos importantes da Termologia

Abaixo, veremos alguns conceitos importantes referentes a cada uma das três áreas da Termologia.

→  Termometria

• Temperatura: mensura o grau de agitação das moléculas que compõem os corpos, sendo diretamente proporcional à vibração, rotação e translação dos átomos e moléculas.

• Termômetro: instrumento capaz de medir a temperatura dos corpos.

• Escalas termométricas: representam a temperatura em diferentes unidades de medida, como Celsius, Fahrenheit e Kelvin.

→ Calorimetria

• Calor: é a energia térmica transferida entre corpos que possuem diferentes temperaturas, sempre saindo do corpo de maior temperatura em direção ao de menor temperatura até atingir o equilíbrio térmico.

• Transmissão de calor: o calor pode ser transmitido pela condução, por meio do contato com a superfície; pela convecção, por meio da formação das correntes convectivas nos fluídos; ou pela irradiação, por meio das ondas eletromagnéticas.

• Formas de calor: o calor pode ser sensível, quando ele varia a temperatura de um corpo, ou latente, quando ocorre a mudança do estado físico do corpo.

• Dilatação térmica: consiste na variação das dimensões do corpo devido a mudanças de temperatura e calor, podendo ocorrer de forma linear quando se dilata apenas o comprimento, superficial quando se dilata a área ou volumétrica quando se dilata o volume do corpo.

→ Termodinâmica

• Lei zero da Termodinâmica: lei que trata do equilíbrio térmico entre os corpos, processo que precede a troca de calor entre eles.

• Primeira lei da Termodinâmica: lei que trata da conservação de energia em sistemas termodinâmicos. Ao receber calor, um sistema poderá convertê-lo em trabalho ou aumento de sua energia interna.

• Segunda lei da Termodinâmica: lei que trata das máquinas térmicas. É impossível construir uma máquina que consiga transformar todo o seu calor em trabalho, então sempre há perdas de calor durante seu funcionamento. Essa lei também aborda o conceito de entropia, conhecida por mensurar o grau de desordem de um sistema.

• Terceira lei da Termodinâmica: lei que trata do zero absoluto, sendo ele impossível de ser atingido.

Saiba mais: Conceitos básicos de Cinemática

Fórmulas da Termologia

→ Escalas termométricas

\(h\frac{T_C}{5}=\frac{T_F-32}9=\frac{T_K-273}5\)

• \(T_C\) → temperatura na escala Celsius, medida em [°C].

• \(T_F\) → temperatura na escala Fahrenheit, medida em [°F].

• \(T_K\) → temperatura na escala Kelvin, medida em [K].

→ Variação de temperatura

\(∆T=T_f-T_i\)

• \(∆T\) → variação de temperatura, medida em Celsius [°C], Fahrenheit [°F] ou Kelvin [K].

• \(T_f\) → temperatura final, medida em Celsius [°C], Fahrenheit [°F] ou Kelvin [K] .

• \(T_i\) → temperatura inicial, medida em Celsius [°C], Fahrenheit [°F] ou Kelvin [K].

→ Calor latente

\(Q=m\cdot L\)

• Q → quantidade de calor, medida em Joule [J]  ou calorias [cal] .

• m → massa, medida em quilogramas [kg] ou gramas [g].

• L → calor latente, medido em [J/kg]  ou [cal/g].

→ Calor sensível

\(Q=m\cdot c\cdot ∆T\)

• Q → quantidade de calor, medida em Joule [J] ou calorias [cal] .

• m → massa, medida em quilogramas [kg] ou gramas [g] .

• c → calor específico, medido em \([J/(kg\cdot K)]\) ou [cal/g∙°C] .

• \(∆T\) → variação de temperatura, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

→ Capacidade térmica

\(C=c\cdot m=\frac{Q}{∆T}\)

• c  → calor específico, medido em \([J/kg\cdot K]\) ou \([cal/g\cdot °C]\).

• C  → capacidade térmica, medida em [J/K]  ou [cal/°C].

• m  → massa, medida em quilogramas [kg] ou gramas [g].

• Q  → quantidade de calor, medida em Joule [J] ou calorias [cal].

• \(∆T\) → variação de temperatura, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

→ Calor específico

\(c=\frac{Q}{m\cdot∆T}\)

• c → calor específico, medido em \([J/(kg\cdot K)]\) ou \([cal/g\cdot °C]\).

• Q → quantidade de calor, medida em Joule [J] ou calorias [cal].

• m → massa, medida em quilogramas [kg] ou gramas [g].

• \(∆T\) → variação de temperatura, medida em Kelvin [K] ou Celsius [°C].

→ Coeficiente de dilatação superficial e linear

\(β=2\cdotα\)

• \(β\) →  coeficiente de dilatação superficial, medido em \([°C^{-1}]\) ou \([K^{-1}]\).

• \(α\) →  coeficiente de dilatação linear, medido em \([°C^{-1}]\) ou \([K^{-1}]\).

→ Coeficiente de dilatação volumétrica e linear

\(γ=3\cdotα\)

• \(γ\) → coeficiente de dilatação volumétrica, medido em \( [°C^{-1}]\) ou \([K^{-1}]\).

• \(α\) →  coeficiente de dilatação linear, medido em \([°C^{-1}]\) ou \([K^{-1}]\).

→ Dilatação linear

\(∆L=L_o\cdotα\cdot∆T\)

• \(∆L\) → variação do comprimento dilatado, medida em metros [m].

• \(L_o\) → comprimento inicial, medido em metros [m].

• \(α \) → coeficiente de dilatação volumétrica, medido em\([°C^{-1}]\) ou \([K^{-1}]\).

• \(∆T\) → variação de temperatura, medida em Celsius [°C] ou Kelvin [K].

→ Dilatação superficial

\(∆A=A_o\cdotβ\cdot∆T\)

• \(∆A\) → variação da área dilatada, medida em metros quadrados \([m^2]\).

• \(A_o\) → área inicial, medida em metros quadrados \([m^2]\).

• \(β\) → coeficiente de dilatação superficial, medido em\([°C^{-1}]\) ou \([K^{-1}]\).

• \(∆T\) → variação de temperatura, medida em Celsius [°C] ou Kelvin [K].

→ Dilatação volumétrica

\(∆V=V_o\cdotγ\cdot∆T\)

• \(∆V\) → variação do volume dilatado, medida em litros [l] ou metros cúbicos [\(m^3\)].

• \(V_o\) → volume inicial, medido em litros [l] ou metros cúbicos [\(m^3\)].

• \(γ \) → coeficiente de dilatação volumétrica, medido em \([°C^{-1}]\) ou \([K^{-1}]\).

• \(∆T\) → variação de temperatura, medida em Celsius [°C] ou Kelvin [K].

→ Primeira lei da Termodinâmica

\(∆U=Q-W\)

• \(∆U \)  → variação da energia interna, medida em Joule [J].

• Q → quantidade de calor, medida em Joule [J] ou calorias [cal].

• W → trabalho, medido em Joule [J].

Importância e aplicações da Termologia

A Termologia é muito importante devido às suas inúmeras aplicações em nosso cotidiano. Abaixo, podemos ver alguns exemplos:

• Por meio da temperatura do corpo, conseguimos saber se estamos doentes.

• Por meio da temperatura do objeto, conseguimos calcular a sua dilatação.

• Com a temperatura é possível determinar quanto tempo demora para o sólido ou líquido esfriar ou aquecer. 

• Com a temperatura podemos encontrar o calor e vice-versa.

• A Termologia permite descobrirmos as variações de temperatura em diferentes escalas termométricas.

• Com o estudo da dilatação, conseguimos calcular o espaço necessário entre os trilhos da ferrovia e entre a porta e o portal, para que não ocorram incovenientes.

Termologia e Termometria

A Termologia abrange os estudos da Termometria, Calorimetria e Termodinâmica, ou seja, a Termometria é apenas uma parte da Termologia, cujo objeto de estudo é a temperatura.

Leia também: Óptica — a área da Física que estuda a luz e os seus fenômenos

Exercícios resolvidos sobre Termologia

Questão 1

(UFPR) Para aquecer 500 g de certa substância de 20 °C para 70 °C, foram necessárias 4000 calorias. A capacidade térmica e o calor específico valem respectivamente:

A) 8 cal/ °C e 0,08 \(\frac{cal}{g °C}\)

B) 80 cal/ °C e 0,16 \(\frac{cal}{g °C}\)

C) 90 cal/ °C e 0,09 \(\frac{cal}{g °C}\)

D) 95 cal/ °C e 0,15 \(\frac{cal}{g °C}\)

E) 120 cal/ °C e 0,12 \(\frac{cal}{g °C}\)

Resolução:

Alternativa B

Usaremos a fórmula da capacidade térmica, que envolve calor e variação de temperatura:

\(C=\frac{Q}{∆T}\)

\(C=\frac{4000}{70-20}\)

\(C=\frac{4000\ cal}{50}\)

\(C=80\ cal/°C\)

Por fim, calcularemos o valor do calor específico:

\(4000=500\cdot c\cdot 50\)

\(4000=25000\cdot c\)

\(\frac{4000}{25000}=c\)

\(0,16\ \frac{cal}{g °C}=c\)

Questão 2

(Ufla) Uma barra de ferro homogênea é aquecida de 10 °C até 60 °C. Sabendo-se que a barra a 10 °C tem um comprimento igual a 5 m e que o coeficiente da dilatação linear do ferro é igual \(1,2\cdot10^{-6} °C^{-1}\), podemos afirmar que a variação de dilatação ocorrida e o comprimento final da barra foram de:

A) \(5,0\cdot 10^{-4}\ m\); 5,0005 m

B) \(2,0\cdot 10^{-4}\ m\); 5,0002m

C) \(4,0\cdot 10^{-4}\ m\); 5,0004m

D) \(3,0\cdot 10^{-4}\ m\); 5,0003 m

E) \(6,0\cdot 10^{-4}\ m\); 5,0006 m

Resolução:

Alternativa D

Calculando a variação de comprimento dilatado por meio da fórmula da dilatação linear:

\(∆L=L_o\cdotα\cdot∆T\)

\(∆L=L_o\cdotα\cdot(T_F-T_I)\)

\(∆L=5\cdot1,2\cdot10^{-6}\cdot(60-10)\)

\(∆L=6\cdot10^{-6}\cdot(50)\)

\(∆L=300\cdot10^{-6}\)

\(∆L=3\cdot10^2\cdot10^{-6}\)

\(∆L=3\cdot10^{2-6}\)

\(∆L=3\cdot10^{-4}\ m\)

A variação de comprimento dilatado é a diferença entre o comprimento final e o comprimento inicial, então o valor do comprimento final é:

\(∆L=L_F-L_o\)

\(3\cdot10^{-4}=L_F-5\)

\(3\cdot10^{-4}+5=L_F\)

\(0,0003+5=L_F\)

\(5,0003\ m=L_F\)