Termologia

Termologia é a área da Física que estuda os fenômenos térmicos. Sendo assim, os fenômenos físicos que envolvem os conceitos de temperatura, calor, mudança de estados físicos etc. são do escopo da termologia, que historicamente foi primeiramente compreendida de forma empírica, e somente mais tarde, com a formulação da teoria cinética dos gases, é que se procurou a explicação microscópica das suas leis.

Essa grande área da Física corresponde a um dos maiores avanços científicos da humanidade, pois ajudou a compreender a natureza dos fenômenos térmicos e a possibilidade de construir máquinas que funcionam com base nessas leis da natureza. Ela pode ser dividida em termometria, calorimetria e termodinâmica, mas muitas vezes seus conceitos estão interligados e podem até se conectar com outras grandes áreas da Física em diversos contextos.

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Resumo sobre termologia

• Termologia é a área da Física que estuda os fenômenos relacionados ao calor, à temperatura, às máquinas térmicas, às mudanças de estado físico, à dilatação térmica etc.
• Pode ser dividida em três áreas:

• • Termometria: estuda a temperatura e as escalas termométricas.
  • Calorimetria: estuda as trocas de calor entre corpos.
  • Termodinâmica: estuda as relações entre calor, energia e trabalho por meio das leis da termodinâmica.

• Termologia no cotidiano: trem e navio a vapor; motores de carros, geladeiras e frigoríficos; frigideiras e panelas; meteorologia; agronomia; biomedicina etc.
• Termologia no Enem: é importante saber realizar conversões entre as escalas termométricas, fórmulas da termologia, conceitos de calorimetria, leis da termodinâmica e interpretação de texto.

O que é termologia?

Termologia é o ramo da Física que estuda os fenômenos relacionados a calor, energia térmica e trabalho, máquinas térmicas, temperatura, mudanças de estado físico, estudo dos gases, dilatação e contração térmica etc. A termologia pode ser dividida em três partes: termometria, responsável por estudar a temperatura e as escalas termométricas, como Celsius, Fahrenheit e Kelvin; calorimetria, área que estuda as trocas de calor entre corpos; e termodinâmica, que estuda as relações entre calor, energia e trabalho por meio das leis da termodinâmica.

Fórmulas da termologia

→ Escala Celsius e escala Fahrenheit 

\(T_c = \frac{5}{9}\cdot (T_f - 32)\)

• T_c → temperatura em grau Celsius.
• T_f → temperatura em grau Fahrenheit.

→ Escala Kelvin

T_c = T_k - 273

• T_c → temperatura em grau Celsius.
• T_k → temperatura em Kelvin.

→ Dilatação linear dos sólidos

\(\Delta L= L_0\cdot \alpha \cdot \Delta T\)

• ΔL → variação no comprimento do material.
• L₀ → comprimento inicial do material.
• α → coeficiente de dilatação linear.
• ΔT → variação da temperatura.

→ Dilatação superficial dos sólidos

\(\Delta A=A_0\cdot \beta\cdot \Delta T\)

• ΔA → variação na área do material.
• A₀ → área inicial do material.
• β → coeficiente de dilatação superficial.
• ΔT → variação da temperatura.

→ Dilatação volumétrica dos sólidos

\(\Delta V = V_0 \cdot \gamma \cdot \Delta T \)

• ΔV → variação no volume do material.
• V₀ → volume inicial do material.
• γ → coeficiente de dilatação volumétrico.
• ΔT → variação da temperatura.

→ Calor sensível (Q)

\(Q = m \cdot c\cdot \Delta T\)

• m → massa do corpo.
• c → calor específico.
• ΔT → variação da temperatura.

→ Capacidade térmica (CT)

\(C_T = \frac{Q}{\Delta T} \)

Q → quantidade de calor cedida ou absorvida.

ΔT → variação da temperatura.

→ Calor latente (L)

\(L = \frac{Q}{m} \)

• Q → quantidade de calor.
• m → massa da substância.

→ Umidade relativa (Urel.)

\(U_{\text{rel.}} = \frac{P_{\text{parc.}}}{P_{\text{sat.}}} \)

• P_parc. → pressão parcial do vapor de água na mistura.
• P_sat. → pressão de saturação.

→ Transformação isotérmica

\(P_1\cdot V_1=P_2\cdot V_2\)

• P₁ e P₂ → pressões.
• V₁ e V₂ → volumes.

→ Transformação isobárica

\(\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \)

• V₁ e V₂ → volumes.
• T₁ e T₂ → temperaturas.

→ Transformação isométrica ou isocórica

\(\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2} \)

• P₁ e P₂ → pressões.
• T₁ e T₂ → temperaturas.

→ Lei geral dos gases

\(\frac{P_1 \cdot V_1}{T_1} = \frac{P_2 \cdot V_2}{T_2} \)

• P₁ e P₂ → pressões.
• V₁ e V₂ → volumes.
• T₁ e T₂ → temperaturas.

→ Lei dos gases ideais (equação de Clapeyron)

\(p\cdot V=n\cdot R\cdot T\)

• p → pressão.
• V → volume.
• n → número de mols.
• R → constante universal dos gases ideais.
• T → temperatura.

→ Lei cinética (térmica) do gás (Ec)

\(E_c = \frac{3}{2} \cdot n \cdot R \cdot T \)

• n → número de mols.
• R → constante universal dos gases ideais.
• T → temperatura.

→ Primeira lei da termodinâmica

\(\Delta U = Q - \tau \)

• ΔU → variação da energia interna.
• Q → quantidade de calor.
• τ → trabalho mecânico.

→ Segunda lei da termodinâmica

\(\Delta S = \frac{\Delta Q}{T} \)

• ΔS → variação da entropia.
• ΔQ → quantidade de calor.
• T → temperatura.

→ Relação de Mayer

\(C_p-C_v=R\)

• C_p → calor específico molar do gás sob pressão constante.
• C_v → calor específico molar do gás com volume constante.
• R → constante universal dos gases ideais.

→ Rendimento (η) de um motor térmico

\(\eta = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} \)

• Q₂ → calor perdido para a fonte fria.
• Q₁ → calor recebido da fonte quente.

→ Potência de uma máquina térmica (P)

\(P = \frac{\tau}{\Delta t} \)

• τ → trabalho realizado em cada ciclo.
• Δt → correspondente intervalo de tempo.

→ Fluxo de calor (ϕ)

\(\phi =\frac{Q}{\Delta t}\)

• Q → quantidade de calor.
• Δt → intervalo de tempo.

Áreas da termologia

→ Termometria

Termometria é a área da termologia que estuda a temperatura e as escalas termométricas. A temperatura é uma grandeza física que pode ser medida com um termômetro. Ela é uma forma macroscópica de medir o grau de agitação médio das moléculas que compõem a matéria. As escalas termométricas são usadas nas medições das temperaturas dos corpos e representadas por um valor numérico e uma unidade de medida, as mais conhecidas são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Na figura a seguir, podemos verificar o ponto de fusão e ebulição da água nas três escalas termométricas:

→ Calorimetria

A calorimetria é a área da termologia que estuda as trocas de calor. O calor, medido em Joules, é uma forma de energia térmica em trânsito que, segundo as leis da termodinâmica, flui espontaneamente entre corpos de diferentes temperaturas, do corpo mais quente para o corpo mais frio, até que o sistema entre em equilíbrio, ou seja, que esses corpos fiquem com a mesma temperatura.

→ Termodinâmica

Termodinâmica é a área da termologia que estuda as relações entre calor, energia e trabalho. Ela se baseia em quatro leis básicas: a lei zero da termodinâmica, que diz que o calor deverá fluir dos corpos de maior temperatura para os de menor temperatura, até que a temperatura entre eles se iguale; a primeira lei da termodinâmica, que diz que toda o calor acrescido a algum sistema pode transformar-se em trabalho, ou pode ser absorvido pelo próprio sistema, resultando em um aumento da energia interna do sistema; a segunda lei da termodinâmica, que diz respeito à variação da entropia dos sistemas termodinâmicos; e a terceira lei da termodinâmica, que afirma que a temperatura do zero absoluto é inalcançável.

Termologia no cotidiano

Desde a Revolução Industrial, os cientistas e engenheiros se preocupam com o rendimento de máquinas térmicas, como dos trens e navios a vapor. Além do rendimento dos motores, os engenheiros de automóveis, por exemplo, se preocupam também com o superaquecimento dos motores, freios e pneus, especialmente no caso dos carros de corrida. Os engenheiros de alimentos estudam o aquecimento de alimentos, como o de pizzas e lasanhas em fornos ou alimentos na frigideira e panela, e o resfriamento de alimentos, como no caso dos alimentos em geladeiras ou congelados no frigorífico.

Os meteorologistas analisam a transferência de energia térmica nos eventos associados a fenômenos como os tornados, as tempestades, o El Niño e a ebulição global. Os engenheiros agrônomos investigam a influência das condições climáticas sobre as plantações.

Os biomédicos estão interessados em saber se a medida da temperatura de um paciente permite distinguir uma infecção viral benigna de um tumor canceroso, ou até descobrir a temperatura ideal de se manter guardadas amostras de DNA e RNA.

Já os físicos experimentais precisam desenvolver eficientes máquinas que abaixam a temperatura próximo ao zero absoluto para realizar inúmeros experimentos sensíveis, como dos supercondutores e os grandes aceleradores de partículas.

Termologia no Enem

Para o Enem, é essencial que o estudante saiba fazer as conversões entre as escalas termométricas e outras unidades de medidas; conheça algumas fórmulas, como a da dilatação térmica, a lei geral dos gases ideais, o calor sensível e calor latente; entenda bem os conceitos de calor, equilíbrio térmico, transformações gasosas; e tenha em mente bem conceituadas as leis da termodinâmica.

Além disso, é muito importante que o estudante esteja preparado para fazer uma boa interpretação de texto, pois muitas vezes a questão vem acompanhada de algum texto com determinado contexto que envolve os fenômenos da termologia.

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Exercícios resolvidos sobre termologia

Questão 1

(Ufac) A temperatura de um paciente na escala Fahrenheit é de 100 °F. Qual o valor dessa temperatura na escala Celsius?

Resolução:

Usando a fórmula de conversão da escala Celsius para a escala Fahrenheit:

\(T_c = \frac{5}{9}\cdot (T_f - 32)\\ T_c = \frac{5}{9}\cdot (100 - 32)\\ T_c = \frac{5}{9}\cdot 68\\ T_c = 37,8º C\)

Questão 2

(UFSM) Dois corpos em equilíbrio térmico têm o(a) mesmo(a):

A) capacidade térmica

B) calor específico

C) temperatura

D) quantidade de calor

E) calor latente

Resolução:

Alternativa C.

Segundo as leis da termodinâmica, o calor flui do corpo mais quente para o corpo mais frio até que o sistema entre em equilíbrio, ou seja, que esses corpos fiquem com a mesma temperatura.

Fontes

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, ondas e termodinâmica (vol. 2). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, oscilações e ondas, calor (vol. 2). 4 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2013.