Temperatura

Question book-4.svg
Esta página ou secção cita fontes confiáveis e independentes, mas que não cobrem todo o conteúdo, o que compromete a verificabilidade (desde outubro de 2016). Por favor, insira mais referências no texto. Material sem fontes poderá ser acadêmico)
A temperatura de um gás ideal está relacionada com a energia cinética média das partículas deste gás. Nesta animação, em escala, a relação entre o tamanho do átomo de Hélio e a distância entre eles seria a esperada para o hélio à temperatura ambiente e submetido a uma pressão de 1 950 atmosferas. Mantidas as escalas, as velocidades das partículas aqui é significativamente muito menor do que a real.

Temperatura é uma grandeza física que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade[nota 1] de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico.

Em sistemas constituídos apenas por partículas idênticas essa definição associa-se diretamente à medida da energia cinética média por partícula do sistema em equilíbrio térmico. Esta definição é análoga a afirmar-se que a temperatura mensura a energia cinética média por grau de liberdade de cada partícula do sistema uma vez consideradas todas as partículas de um sistema em equilíbrio térmico em um certo instante.[nota 2] A rigor, a temperatura é definida apenas para sistemas em equilíbrio térmico.

O Sistema Internacional de Unidades estabelece uma escala específica para a temperatura absoluta. Utiliza-se a escala kelvin para a mensura, com o ponto triplo da água a 273,16 K como o ponto fundamental de fixação. Outras escalas forem sendo utilizadas historicamente. A escala de Rankine, que utiliza o grau Fahrenheit como unidade de intervalo, está ainda em uso como parte do sistemas de unidades inglesas de engenharia em alguns campos de estudo nos Estados Unidos. A Escala Internacional de Temperaturas de 1990 (ITS-90) fornece meios práticos de se estimar a temperatura termodinâmica com um elevado grau de precisão.

Dentro do formalismo da termodinâmica, que leva em conta apenas grandezas macroscopicamente mensuráveis, a temperatura é, de forma equivalente, definida como a derivada parcial da energia interna em relação à entropia para um sistema em equilíbrio termodinâmico:

Noções gerais

Historicamente, dois conceitos de temperatura foram desenvolvidos: um, macroscópico, fornecido pela termodinâmica, e um, microscópico, fornecido pela física estatística. Segundo a termodinâmica — que se fundamenta no estudo de grandezas necessariamente macroscópicas — a temperatura é um parâmetro físico (uma variável termodinâmica) descritivo de um sistema que, vulgarmente associada às sensações de frio e quente, relaciona-se diretamente à lei zero da termodinâmica e ao conceito de equilíbrio termodinâmico de um sistema ou sistemas. Sua mensurabilidade deriva-se diretamente da mensurabilidade da transferências de energia térmica entre sistemas na forma de calor e da segunda lei da termodinâmica. Entretanto a física estatística provê uma compreensão mais profunda não só do conceito de temperatura mas também das demais grandezas termodinâmicas, a exemplo a pressão, por associá-las diretamente às grandezas fundamentais oriundas da mecânica clássica que são diretamente aplicadas ao estudo de sistema de partículas visto que a física estatística considera explicitamente a matéria como uma coleção de um grande número de partículas. Neste contexto a estatística provê as ferramentas para compreensão microscópica das variáveis termodinâmicas macroscópicas a partir das médias ou valores totais das grandezas mecânicas diretamente associadas a cada partícula microscópica do sistema.

A temperatura não é uma medida de calor,[1][2] mas a diferença de temperaturas é a responsável pela transferência da energia térmica na forma de calor entre dois ou mais sistemas. Quando dois sistemas estão à mesma temperatura diz-se que estão em equilíbrio térmico e neste caso não há calor. Quando existe uma diferença de temperatura, há calor do sistema em temperatura maior para o sistema em temperatura menor até atingir-se o equilíbrio térmico. Este calor pode dar-se por condução, convecção ou irradiação térmica. As influências precisas da temperatura sobre os sistemas são estudadas pela termodinâmica e esta é uma das principais grandezas intensivas encontradas na área.

A temperatura absoluta é diretamente proporcional à quantidade de energia térmica em um sistema, e assim quanto mais energia térmica há em um dado sistema maior é a sua temperatura. Um aumento na energia térmica acarreta aumento proporcional na temperatura absoluta, e uma diminuição na energia térmica, a exemplo mas não necessariamente por calor [nota 3], provoca uma diminuição na temperatura do sistema. Em escala microscópica o calor corresponde à direta transmissão da agitação térmica entre átomos e moléculas no sistema. Assim, uma elevação de temperatura de um sistema em função de calor decorre de um aumento das velocidades de agitação térmica dos átomos deste sistema às custa da diminuição da velocidades das partículas do outro sistema mediante transferência direta da energia térmica associada. Pede-se atenção para o fato de que, embora temperaturas maiores representem velocidades maiores para as partículas, dois sistemas distintos à mesma temperatura não têm necessariamente partículas se movendo com as mesmas velocidades. A relação entre energia cinética média e temperatura não é restrita somente a gases ideais, entretanto ressalva dever ser feita para temperaturas extremamente próximas ao zero kelvin, pois uma temperatura de zero kelvin não implica repouso absoluto em função de um fenômeno quântico conhecido por energia de ponto zero [nota 4][3]

O movimento das partículas e a energia cinética associados à temperatura não ficam restritos a trajetórias retilíneas ou balísticas e também têm como parcelas o movimento e a energia associados à vibração ou rotação das partículas. Até mesmo os elétrons podem mostrar-se importantes na determinação da temperatura ou no estudo do calor, como ocorre para os metais.

Praticamente todas as propriedades físicas da matéria, a exemplo seu estado físico (sólido, líquido, gasoso, plasma, condensado de Fermi-Dirac ou condensado de Bose-Einstein), a densidade, a solubilidade, a pressão de vapor e a condutibilidade elétrica relacionam-se intrinsecamente com a temperatura. A temperatura tem também papel importante na cinética das reações químicas; as reações bioquímicas que nos mantêm vivos processam-se em uma velocidade ideal quando o corpo humano encontra-se a uma temperatura de 36,7°C, a exemplo. A temperatura é fator determinante da radiância espectral, a quantidade de radiações emitidas por um corpo negro por unidade de área e tempo, e também determina sua cor, ou seja, a frequência para a qual a radiância espectral é máxima. Uma aplicação direta da radiação de corpo negro é a lâmpada incandescente, em que o filamento de tungstênio é aquecido eletricamente até uma temperatura onde uma quantidade notável de luz visível é emitida.

A temperatura é medida com termômetros que podem ser calibrados em uma grande variedade de escalas de temperatura. Praticamente em todo o mundo com a exceção dos Estados Unidos, Belize, Mianmar e Libéria, usa-se a escala Celsius para os mais variados fins. Entretanto, em se tratando de trabalhos científicos, é obrigatório o uso da escala Kelvin visto que esta é a única que liga-se de forma direta à energia cinética média por partícula do sistema em estudo e às definições estatística e termodinâmica de temperatura, sendo por razões óbvias denominada escala natural ou escala absoluta de temperaturas.

Em um corpo em aquecimento, como este segmento da proteína alfa-hélice, seus átomos vibrarão mais, causando a expansão da substância ou a mudança de fase.

Muitos acham que uma maneira bem imediata de estimar-se a temperatura é através dos nossos sentidos, mas além de imprecisa, já que a sensação térmica varia de pessoa para pessoa, o nosso sentido associado não é um termômetro, não sendo portanto sensível à temperatura, e sim ao calor. O difundido procedimento de olhar se alguém encontra-se com febre tocando-lhe a testa com a mão é fisicamente incorreto.

Embora sejam requeridos equipamentos laboratoriais bem sofisticados para medir-se diretamente o movimento "termal" das partículas, as colisões entre partículas com minúsculos objetos suspensos em um fluido produzem o movimento browniano, fenômeno que pode ser facilmente observado com o auxílio de um microscópio comum e cujo estudo, juntamente com o estudo do comportamento quântico da luz, valeu a Albert Einstein o Prêmio Nobel em 1921. Os movimentos "termais" de átomos são muito rápidos, e seus movimentos somente podem ser vistos diretamente quando a temperatura está próxima do zero absoluto. A exemplo, quando os cientistas do National Institute of Standards and Technology (NIST) atingiram o recorde de temperatura mais baixa já alcançada, de 700 nK ( 7   m m s {\displaystyle 7~{\frac {mm}{s}}} .

Moléculas bidimensionais como o ou tridimensionais como o têm mais graus de liberdade do que átomos individuais. As moléculas, além do movimento retilíneo, possuem movimentos vibratórios e rotacionais. O aumento da temperatura irá provocar a elevação da energia cinética média e como consequência um deslocamento retilíneo mais veloz. Também causará, por meio da equipartição, o aumento do movimento vibratório e rotacional. Assim sendo, para um gás diatômico, que pode adquirir movimentos vibracionais e rotacionais, será necessário uma quantidade maior de energia para atingir uma certa temperatura. Em outras palavras, um gás diatômico tem uma capacidade calorífica maior do que um gás monoatômico.

O processo de resfriamento envolve remoção de energia de um sistema. Quando não há mais energia a ser retirada, a temperatura do sistema está em zero absoluto, que é o ponto de partida da temperatura termodinâmica, onde, através do ponto de vista da física clássica, toda a energia cinética das partículas cessa e, portanto, as partículas estão imóveis. A visão de partículas completamente imóveis não é considerada a mais satisfatória para atrelar-se ao zero kelvin atualmente já que a mecânica quântica prevê que existe movimento e energia cinética mesmo que a temperatura esteja em zero absoluto. Entretanto, esta energia no zero absoluto, conhecida por energia de ponto zero, não pode ser removida do sistema, de forma que ainda vale a sentença: quando não há mais energia a ser retirada, a temperatura do sistema está em zero absoluto. Por definição, o zero absoluto é precisamente 0 Kelvin (-273,15 °C ou -459,68 °F).