Temperatura e energia térmica - As escalas termométricas

• Estados físicos da matéria - Temperatura e a força de ligação atômica

Os grupamentos atômicos, ou até mesmo os átomos isolados, que formam as diferentes substâncias, estão em constante movimento. Essa energia de vibração dos grupamentos atômicos é conhecida como energia térmica, e está relacionada à temperatura, pois a expressão grega thérmos, quer dizer "quente", "ardente".

Imagine um grupo de dez pessoas bem pertinho uma das outras, quase paradas, sem se movimentar. Elas ocupam um determinado espaço em uma sala. Se essas pessoas passam a balançar seus corpos sem sair do lugar, batendo-se umas nas outras, passam a ocupar um espaço um pouco maior. Aumentando o movimento de seus corpos, ainda se chocando uns com os outros, ocupam um espaço ainda maior da sala.

Dilatação

O que ocorre com os grupamentos atômicos é a mesma coisa: quando ganham energia térmica passam a se movimentar com maior intensidade, batem com maior força uns nos outros, o que os distancia, fazendo-os ocupar maior espaço, aumentando o volume do corpo que constituem. Este aumento de volume é denominado dilatação. Quando perdem energia térmica os grupamentos atômicos passam a se movimentar menos, diminuindo o espaço entre eles e aumentando a força que os une.

Quanto maior a movimentação dos grupamentos atômicos menor é a força que os une (coesão molecular). É como um cabo de guerra: se a força de ligação entre os grupamentos atômicos for muito grande, é preciso muita energia para distanciá-los; quanto menor a força que os mantém unidos é mais fácil distanciá-los. Com qualquer aumento na agitação dos grupamentos atômicos eles se dispersam, se distanciam muito.

Medidas de temperatura

Essa variação de volume de um corpo, a dilatação, é utilizada como parâmetro para medirmos a quantidade média de energia térmica dos grupamentos atômicos de um corpo. A dilatação dessas substâncias ocorre proporcionalmente ao ganho de energia térmica, ou seja, ao aumento da temperatura.

Utilizando-se dessa proporcionalidade foi possível criar escalas para medir o aumento da temperatura de um corpo, ou melhor, o aumento médio da agitação dos grupamentos atômicos desse corpo.

Para se criar uma escala termométrica, é preciso fixar dois pontos, o ponto mínimo de dilatação e o ponto máximo de dilatação. Assim teremos uma certa "distância" a qual poderá ser dividida em partes iguais, constituindo a unidade de medida de temperatura, que representa o ganho de volume proporcional ao aumento da temperatura.

Os pioneiros do estudo da temperatura

No século 18, Olé Römer idealizou um instrumento de medida que possuía um bulbo, para armazenar o líquido a ser dilatado, no caso álcool, e um capilar (um "cano", tubo extremamente fino, da espessura de um cabelo) que indicaria pequenas variações da dilatação do líquido.

Misturando gelo à água, Römer estabeleceu o ponto mínimo de dilatação, e assim obteve o zero de sua escala. Para obter o ponto máximo de dilatação ele utilizou a água fervendo. O espaço entre o ponto mínimo e o ponto máximo foi dividido em sessenta partes iguais e assim foi estabelecido o grau Römer.

Hoje, ninguém mais ouve falar em graus Römer, mas todos conhecem os graus Fahrenheit. Daniel Fahrenheit, um holandês que visitou Römer em 1708 e assim conheceu seu trabalho com a escala termométrica, passou a produzir seus próprios termômetros, com sua própria escala.

A escala de Fahrenheit utiliza a mesma distância utilizada por Römer entre a dilatação mínima (zero) estabelecida misturando-se água ao gelo, e a dilatação máxima, estabelecida com a água fervendo. Entretanto, Fahrenheit dividiu esse espaço em 212 partes iguais, estabelecendo a sua unidade de medida, grau Fahrenheit.

Ainda no século 18, outras duas escalas termométricas foram criadas: Anders Celsius dividiu a distância entre o ponto mínimo de dilatação (gelo misturado com água) e o ponto máximo (fervura da água) em 100 partes iguais, essa escala passou a ser conhecida como centígrada (centi=cem; grado=grau). René-Antoine Réaumur dividiu essa mesma distância em oitenta partes iguais, criando o grau Réaumur.

Sendo a temperatura a energia média de agitação dos grupamentos atômicos, os cientistas passaram a admitir que a temperatura mais baixa que pode existir é quando os grupamentos atômicos param de se movimentar, isto é, estão em repouso. A esse limite inferior de dilatação damos o nome de zero absoluto.

Utilizando-se de estudos experimentais com a pressão exercida por gases a diferentes temperaturas, Lord Kelvin (Willian Thompson) estabeleceu, em 1843, que o zero absoluto correspondia a - 273,15oC (aproximadamente -273oC). Sendo assim, sua escala tem a seguinte correspondência à escala termométrica de Anders Celsius: 0oK corresponde a -273oC; 273oK corresponde a 0o C (gelo misturado com água) e o ponto de fervura da água se dá a 373oK que corresponde a 373oC.

A escala Kelvin também pode ser considerada uma escala centígrada já que a distância percorrida pela coluna de álcool, entre o ponto em que o gelo está misturado com água e o ponto de fervura da água, foi dividida em cem partes iguais.

Calor

Quando um corpo ganha energia térmica seus grupamentos atômicos passam a se movimentar com maior intensidade do que anteriormente, ocorrendo um aumento na temperatura e no volume total do corpo.

Quando um corpo perde energia térmica seus grupamentos atômicos passam a se agitar menor do que anteriormente, ocorrendo uma diminuição da temperatura e do volume total do corpo. À energia térmica que passa de um corpo a outro, à energia térmica em trânsito, damos o nome de calor.