quinta-feira, 11 de fevereiro de 2016

A temperatura mais baixa é...

    Na edição anterior foram apresentadas as escalas Celsius e Fahrenheit, sendo a de Celsius a mais utilizada no nosso dia-a-dia. No entanto, a escala termométrica utilizada no Sistema Internacional de Unidades (SI) é a kelvin. Esta escala é preferida em Ciência, por possuir uma característica única!…
Lord Kelvin
     William Thompson, físico britânico de renome (1824-1907), tentou encontrar o ponto de temperatura mais baixa que pode ser atingido. Aquele seria o zero absoluto - isto é, a temperatura absoluta (de referência) só com um único ponto fixo, o inferior. (Lembra-te que nas outras escalas foi sempre escolhido um ponto inferior e um ponto superior para definição da escala termométrica.) Pelos seus feitos notáveis na Ciência, W. Thompson foi apraciado pelo Rei com o título de Lorde em 1892, passando a partir de então a ser mais conhecido por Lord Kelvin. Desta forma, a sua escala ficou conhecida como escala Kelvin, a mais importante de qualquer uma das escalas de temperatura conhecidas!
    Kelvin observou, experimentalmente, a variação da pressão de um gás a volume constante. Nesse estudo baseou-se na teoria segundo a qual qualquer sistema, ao arrefecer, tende para um valor limite de temperatura. Concluiu, então, através de extrapolação matemática, que a menor temperatura que aquele gás poderia atingir corresponderia com o anulamento da sua pressão. Ele definiu este ponto de pressão nula como a origem de qualquer temperatura, ou seja, o estado de zero absoluto de temperatura. Comparando-o com a escala Celsius, verificou que este ponto zero correspondia a -273,15 ºC.
    O gráfico seguinte, à esquerda, demonstra os resultados obtidos por Kelvin, da variação de pressão vs. temperatura, a volume constante. As várias rectas representam diferentes volumes (constantes para cada recta) que se mantiveram inalteráveis em cada variação pressão-temperatura. O traço continuo representa valores experimentais, o traço descontínuo extrapolação matemática [1]. Pode ser construído um outro gráfico similar (à direita), em que a pressão e o volume trocam de posição: variações de volume vs. temperatura, a pressão constante.
p-t

Variação da Pressão em função da Temperatura a Volume constante.
V-t

Variação do Volume em função da Temperatura a Pressão constante.

    Lord Kelvin propôs esta nova escala às academias científicas, no séc. XIX, convencionando o estado zero como 0 K, sem ponto superior - dado que passaria a ser uma temperatura de referência universal - em que cada intervalo de 1 kelvin seria igual a 1 grau Celsius.
    Mais tarde, estudos teóricos baseados na 2ª Lei da Termodinâmica [2] confirmaram a justeza daquele valor, isto é, o zero absoluto encontra-se, de facto, a -273,15 ºC! No entanto, este valor é impossível de ser alcançado, por ser puramente teórico: pressão e volume de um gás seriam nulos a esta temperatura o que corresponderia a uma aniquilação da matéria!! Além disso, nessas condições todas as substâncias encontrar-se-iam já no estado sólido, e não gasoso. A temperatura mais próxima, atingida até ao momento, dista apenas de 1 nK (10-9 K) do zero absoluto. A título de exemplo, o hélio que é, de todas as substâncias, a que tem pontos de ebulição e de fusão mais baixos, solidificando a 0,95 K. Assim, o valor de -273,15 ºC é denominado zero absoluto teórico. A escala correspondente também é conhecida por temperatura termodinâmica, já que foi confirmado pela 2ª Lei da Termodinâmica.
    Por vezes fazem, na escala Celsius, diferentes referências ao zero absoluto. A figura seguinte apresenta dois pontos importantes na escala Celsius, elucidando esta questão.
    Pontos duplo e triplo
  • A - ponto triplo da água (coexistência de gelo, água líquida e vapor de água em equilíbrio térmico) a 0,01 ºC
  • B - ponto duplo, o de gelo fundente (gelo finamente dividido em equilíbrio térmico com água pura), a 0 ºC
    Verificas facilmente que se, na escala Celsius, o ponto de referência for o ponto triplo da água, o zero absoluto encontra-se a -273,16 ºC deste, o que equivale a -273,15 ºC do ponto duplo.
    Quando se trata de uma utilização prática, a conversão de graus Celsius em kelvin é, comodamente, dada por
K = 273 + q
(sendo q a temperatura em graus Celsius), com um erro mínimo desprezável, indetectável nas aplicações mais comuns.
    Surge, assim, uma razão de base científica, para escolher a escala de temperatura Kelvin, com zero absoluto, como preferência sobre as escalas Celsius e Fahrenheit, em que os "zeros" foram convencionalmente escolhidos!

Rudolf Appelt

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