Como calcular comparação entre escalas

Diferentemente do que muitos estudantes pensam, há outras formas de expressar a temperatura de um determinado corpo/ambiente além da já conhecida escala Celsius, isso porque existem outras escalas termométricas, pelas quais também conseguimos representar qualquer faixa de temperatura seguindo uma outra lógica.

Desse modo, com o objetivo de esclarecer mais sobre esta matéria, preparamos um post explicando quais são as escalas termométricas, o que as diferencia, de que maneira é possível realizar as conversões em questões de vestibular e Enem. Boa leitura!

O que é escala termométrica?

Escala termométrica nada mais é do que uma metodologia (que utiliza conceitos de Física e de Matemática) que tem como objetivo criar uma lógica para a medição de temperatura de um dado objeto/ambiente.

Atualmente, existem várias escalas termométricas no mundo científico; contudo, há 3 que são usualmente mais utilizadas: a escala Celsius, a Fahrenheit e a Kelvin.

Quais as escalas termométricas?

Confira abaixo um pouco mais sobre essas 3 principais escalas termométricas da Física.

Celsius

A escala Celsius é a mais popular entre as escalas, isso porque grande parte dos países a adota e suas faixas de valores já são bem conhecidas por praticamente toda a população mundial.

Conhecida no passado por escala centígrado, os valores de fusão e ebulição da água na escala Celsius são:

• 100° C para o ponto de ebulição;
• 0° C para o ponto de fusão.

Kelvin

Já a escala Kelvin não é adotada oficialmente por nenhum país, contudo, ela é extremamente popular no mundo acadêmico, sendo bastante comum aparecer em trabalhos científicos, estudos universitários e em provas de vestibular.

Em relação aos pontos de fusão e ebulição da água, a escala Kelvin os afere em:

• 373 k para o ponto de ebulição;
• 273 k para o ponto de fusão.

Fahrenheit

Atualmente, existem apenas 3 países que utilizam a escala Fahrenheit, criada em 1724, em seu sistema de medição: Estados Unidos, Myanmar e Libéria.

Os valores para o ponto de fusão e ebulição da água nesta escala são:

• 212° F para a ebulição;
• 32° F para a fusão.

Escalas termométricas: fórmula

Por se tratar de escalas que conseguem representar uma mesma temperatura sob diferentes metodologias, é possível realizar a conversão entre todas as escalas, basta aplicar corretamente uma sequência de fórmulas.

Celsius e Kelvin

Utilizamos a fórmula TK = TC + 273, em que TK equivale à temperatura em Kelvin e TC à temperatura em graus Celsius.

Converter 40° C em K:

Celsius e Fahrenheit

Utilizamos a fórmula TC/5 = (TF – 32)/9, em que TC é temperatura em graus Celsius e TF é temperatura em Fahrenheit.

Converter 40° C em F:

• 40/5 = (TF – 32)/9
• 40 x 9 = 5(TF – 32)
• 360 = 5TF – 160
• 5TF = 520
• TF = 104.

Kelvin e Fahrenheit

Nesse caso, uma dica interessante é passar a temperatura Kelvin ou Fahrenheit (depende do exercício) para graus Celsius, para então posteriormente aplicar a fórmula de conversão adequada. Veja o exemplo a seguir.

Converter 60 K em F:

• TK = TC + 273
• 60 = TC + 273
• TC = -213

Agora aplicamos a conversão Celsius – Fahrenheit:

• TC/5 = (TF – 32)/9
• -213/5 = (TF – 32)/9
• -213 x 9 = 5(TF -32)
• -1917 = 5TF -160
• 5TF = – 1757
• TF = – 351,4.

Escalas termométricas: exercícios

Veja abaixo como as escalas termométricas podem ser cobrados em uma prova de vestibular.

1. (Unifesp) Quando se mede a temperatura do corpo humano com um termômetro clínico de mercúrio em vidro, procura-se colocar o bulbo do termômetro em contato direto com regiões mais próximas do interior do corpo e manter o termômetro assim durante algum tempo, antes de fazer a leitura.

Esses dois procedimentos são necessários porque:

a) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre dois corpos e porque demanda sempre algum tempo para que a troca de calor entre o corpo humano e o termômetro se efetive.

b) é preciso reduzir a interferência da pele, órgão que regula a temperatura interna do corpo, e porque demanda sempre algum tempo para que a troca de calor entre o corpo humano e o termômetro se efetive.

c) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre dois corpos e porque é preciso evitar a interferência do calor específico médio do corpo humano.

d) é preciso reduzir a interferência da pele, órgão que regula a temperatura interna do corpo, e porque o calor específico médio do corpo humano é muito menor que o do mercúrio e do vidro.

e) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre dois corpos e porque é preciso reduzir a interferência da pele, órgão que regula a temperatura interna do corpo.

Resolução

Alternativa correta letra “b”. O objetivo de um termômetro clínico é medir a temperatura de uma região mais próxima possível do interior do corpo humano, ou seja, sem a interferência térmica da pele. Já a espera por um determinado tempo sempre é necessária, para que assim toda a troca de calor efetiva seja devidamente concluída.

2) (UFF) Um turista brasileiro, ao desembarcar no aeroporto de Chicago, observou que o valor da temperatura lá indicado, em °F, era um quinto do valor correspondente em °C.

O valor observado foi:

a)  – 2° F.

b)  2° F.

c)  4° F.

d)  0° F.

e)  – 4° F.

Resolução

Alternativa correta letra “e”. Aplicando a fórmula de Celsius para Fahrenheit e levando em conta que a temperatura em F é igual a 1/5 da temperatura em °C, temos:

C/5 = (F-32)/9

5 F/5 = (F-32)/9

9 F = F – 32

8 F = – 32

F = -4.

Sendo assim, percebemos que a matéria de escalas termométricas é muito importante na Física, ou seja, para aqueles que desejam fazer um bom vestibular, saber sobre os conceitos trabalhados acima é essencial.

Além disso, vale ressaltar que este conteúdo envolve tanto a interpretação de situações quanto a aplicação de fórmulas específicas, o que o torna ainda mais importante para os vestibulares.

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As escalas termométricas são usadas para representar a temperatura em diferentes unidades. Toda escala termométrica apresenta dois pontos fixos que são definidos a partir de alguma propriedade física de alguma substância que possa ser facilmente observada quando o corpo é submetido às mesmas condições.

Escala Celsius

A escala termométrica mais utilizada no mundo é a escala Celsius. Essa escala é baseada na água pura e tem como pontos fixos os pontos de fusão (0 ºC) e ebulição da água (100 ºC), em condições normais de pressão. A escala Celsius foi criada no ano de 1722, pelo astrônomo sueco Anders Celsius.

Veja também: Como ocorrem as trocas de calor?

A escala Fahrenheit foi descoberta por Daniel Gabriel Fahrenheit, um físico e engenheiro alemão, no ano de 1724.

Alguns países como os Estados Unidos ainda utilizam a escala Fahrenheit. Essa escala foi criada de modo que a temperatura de fusão da água fosse de 32ºF e que cada grau dessa escala correspondesse a 1,8 graus na escala Celsius, por isso a temperatura de fusão da água, na escala Fahrenheit, é de 212 ºF.

Ambas escalas, Celsius e Fahrenheit, são consideradas escalas usuais, isto é, não são escalas termodinâmicas. Uma escala termodinâmica deve levar em conta o fato de que o seu menor valor de temperatura, aquele no qual os átomos de uma porção de substância são encontrados perfeitamente em repouso, deve ser igual a 0, diferentemente do que ocorre nas escalas citadas, que admitem valores negativos de temperatura.

Uma importante diferença entre a escala Fahrenheit e as demais escalas é que essa não é uma escala centígrada, isso é: a distância entre os seus pontos fixos não é de 100 graus, mas sim de 180 graus.

Escala Kelvin

A primeira escala que levou em conta a não utilização de valores negativos de temperatura foi a escala Kelvin, adotada atualmente pelo Sistema Internacional de Unidades. A escala Kelvin atribui a temperatura à agitação térmica dos átomos, por isso, seu limite inferior é o 0 K, conhecido como zero absoluto. Por razões históricas e práticas, alguns países continuam a utilizar as escalas Celsius e Fahrenheit.

A escala Kelvin foi proposta em 1848 por William Thomson, um físico e engenheiro irlandês, conhecido pelo título de Lorde Kelvin. Diferentemente de outras medidas de temperatura, a escala Kelvin não utiliza a terminologia de graus, por ser uma unidade absoluta de temperatura e não uma escala criada com base em alguma substância.

Observe a imagem abaixo, nela temos três termômetros calibrados nas escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit, respectivamente, que evidenciam os pontos fixos de cada uma das três escalas citadas:

Conversão de escalas termométricas

É possível converter valores de temperatura entre as três escalas termométricas mais comuns. Para isso, utilizamos a seguinte identidade:

Confira um exemplo de utilização da fórmula acima. Vamos converter a temperatura de 80 ºF para ºC:

Variação de temperatura em escalas termométricas

Diferentemente do cálculo que é feito para realizar a conversão de temperaturas entre as escalas termométricas, podemos calcular o quanto a variação de temperatura em uma escala corresponde em outra escala. Para tanto, podemos utilizar a seguinte igualdade:

De acordo com as identidades mostradas acima, a variação de temperatura em graus Celsius é a mesma que a variação sofrida na escala Kelvin, portanto, se um corpo sofreu um acréscimo de temperatura de 10 ºC, sua temperatura aumentou em 10 K. No entanto, caso um corpo tenha sofrido um acréscimo de 10 ºC ou 10 K em sua temperatura, na escala Fahrenheit sua temperatura terá aumentado 18 ºF.

Exercícios sobre escalas termométricas

1) Um termômetro mede uma temperatura igual a 20 ºF, determine o valor dessa temperatura na escala Celsius e Kelvin.

Resolução:

Vamos usar a igualdade entre as escalas termométricas para calcular a temperatura de 20 ºF nas escalas pedidas:

2) Determine qual a temperatura para que o valor seja igual em Celsius e Fahrenheit.