Conhecida como a escala absoluta por não possuir valores negativos, a escala Kelvin foi construída pelo irlandês William Thomson (conhecido como lorde Kelvin). Essa escala foi desenvolvida com base na mínima temperatura existente possível, o zero absoluto, que corresponde a aproximadamente – 273 °C.
O zero na escala Celsius (0 °C) é agora definido como equivalente a 273,15 K, com uma diferença de temperatura de 1 °C equivalente a uma diferença de 1 K, ou seja, o tamanho da unidade em cada escala é a mesma.
Celsius e Kelvin A escala Kelvin é a mais utilizada em cálculos de química e física. Basta somar 273 ao valor atribuído na escala Celsius e obterá o resultado em Kelvin. No modo inverso, basta subtrair 273 da escala em Kelvin e poderá obter o valor em graus Celsius.
O zero absoluto é o limite inferior de temperatura. Nessa temperatura, os átomos e demais partículas encontram-se perfeitamente estáticos, sem qualquer energia. O zero absoluto é a menor temperatura teórica à qual um corpo pode chegar.
O zero absoluto é o limite inferior de temperatura na natureza, que corresponde à menor temperatura possível a ser atingida e equivale a – 273,15 °C ou 0 K. Deve-se lembrar que não há um limite superior de temperatura, e a existência de temperaturas de valores extremamente elevados é totalmente possível.
Por essa razão usa-se apenas o K e não o símbolo do grau, quando se faz referência a temperaturas em Kelvin. É preciso lembrar que os “graus” são apenas unidades arbitrárias de medida, como 0 ºC sendo o ponto de fusão da água e 100 °C o ponto de ebulição.
Trata-se de um sistema de medição que atualmente só é usado por três países no mundo: Estados Unidos, Birmânia e Libéria.
A Escala Kelvin Criou assim o que chamamos de escala absoluta, pois utiliza um fenômeno universal como referência. Nela a água congela em 273 Kelvin (K) e ferve a 373 K – repare que não utilizamos graus, pois esta é a escala absoluta e não uma comparação entre fenômenos como as outras escalas.
Vejamos primeiramente cada uma dessas escalas e depois como realizar a conversão entre elas: Graus Celsius (ºC): É a mais utilizada no Brasil. Ela toma por base os pontos de fusão e ebulição da água, que são, respectivamente, 0ºC e 100ºC.
A medida do zero absoluto foi obtida, em 1848, de uma proposta de Lord Kelvin (1824-1907) ao perceber que a pressão de um gás diminuía na razão de 1/273 do seu valor inicial, quando resfriado de 0ºC a -1ºC, com volume constante. Ouça este artigo:
Não existe um limite para a temperatura quando começamos a aquecer um material. Do estado sólido vai para o líquido, depois o gasoso, separa-se em moléculas, átomos, até chegar em uma nuvem de partículas eletrizadas, também chamada de plasma, encontrada no interior das estrelas, onde a temperatura é extremamente elevada. Contudo, há um limite para o resfriamento, é o zero absoluto! Situação em que a pressão é nula, a temperatura não pode diminuir mais e não se pode extrair mais nenhuma energia do material. Zero absoluto é definido como a menor temperatura que um corpo pode estar no universo. É a temperatura na qual as moléculas do corpo tem energia cinética média nula (estão em repouso). Na teoria, seria o 0K (zero da escala Kelvin) ou -273,15º C, mas em laboratório, o máximo que se conseguiu foi de aproximadamente 0,000000000001K (ou 1 . 10-12 K). Se o zero absoluto existisse no valor exato de 0, violaria o Princípio da Incerteza da mecânica quântica, que afirma a impossibilidade de medição, absolutamente precisa, da posição e velocidade simultaneamente. Isso aconteceria no caso do zero absoluto, pois seriam medidos a posição 0 e a velocidade 0 m/s, simultaneamente. Outro exemplo de que o zero absoluto é inatingível pode ser notado no rendimento (η) de uma máquina de Carnot, dado pela equação: η = 1 – Tfria /Tquente onde, Tfria é a temperatura da fonte fria e Tquente a temperatura da fonte quente. Se Tfria = 0K, ou seja, o zero absoluto, o rendimento será 100% (η = 1), situação em que a máquina térmica converte todo o calor em trabalho, algo impossível em um processo cíclico na termodinâmica. A medida do zero absoluto foi obtida, em 1848, de uma proposta de Lord Kelvin (1824-1907) ao perceber que a pressão de um gás diminuía na razão de 1/273 do seu valor inicial, quando resfriado de 0ºC a -1ºC, com volume constante. Se no zero absoluto a pressão deve ser nula, pois sem energia cinética as moléculas estão em repouso, logo a temperatura também será, visto que ela registra o grau de agitação das moléculas. É obtido o mesmo resultado ao manter a pressão constante e resfriar de 0ºC a -1ºC o corpo, onde o volume diminui na razão de 1/273 do valor inicial, chegando ao volume nulo no zero absoluto, o que é impossível. Neste raciocínio, Kelvin concluiu, pela razão de 1/273 encontrada, que o zero absoluto seria a -273ºC, pois a razão está para a diferença de 1ºC. São três os fenômenos notados em um corpo, quando próximo do zero absoluto: supercondutividade: o corpo cria um campo magnético tão grande, que permite levitar um ímã; superfluidez: devido a resistência mecânica ser quase nula, ele flui tão bem ao ponto de um líquido poder subir as paredes de um recipiente; condensação de Bose-Einstein: o corpo vai se compactando, condensando, de uma forma que poderia se tornar um grande e único átomo. Observa-se este fenômeno nos processos de decaimento de temperaturas e mudanças de estado físico, em que o gás se torna líquido, o líquido se torna sólido, e, desta forma, o sólido tenderia a ter suas partículas cada vez mais unidas. Referências bibliográficas: HEWITT, Paul G., Física Conceitual – 9ª ed. – Bookman, 2008. https://super.abril.com.br/mundo-estranho/o-que-e-zero-absoluto/
Escala Kelvin zero absoluto No princípio de 1800, Thonson (Lord KeIvin) desenvolveu uma escala termodinâmica universal, baseada no coeficiente de expansão de um gás ideal. Kelvin estabeleceu o conceito de Zero Absoluto e a sua escala permanece como padrão para a termometria moderna. Zero Absoluto ou Zero Kelvin é a menor temperatura que um corpo pode alcançar, 0 K equivale a -273,15oC. A escala Kelvin começa a contar a partir de zero absoluto da escala Centígrada, isto é, -273, 15°C. Conseqüentemente, para a variação de 1° centígrado na escala Celsius teremos a mesma variação na escala Kelvin. “Mudou apenas a referência. Assim é que na escala Kelvin a água congela a + 273,15°K e evapora a + 373,15°K”. William Thomson, 1º Barão Kelvin (26 de junho de 1824 – 17 de dezembro de 1907) foi um físico-matemático e engenheiro britânico, considerado um lídernas ciências físicas do século XIX. Ele fez importantes contribuições na análise matemática da eletricidade e termodinâmica, e fez muito para unificar as disciplinas emergentes da física em sua forma moderna. Ele é amplamente conhecido por desenvolver a escala Kelvin de temperatura absoluta. O título de Barão Kelvin foi dado em homenagem a suas realizações. Força eletromotriz de Thomson, é a tensão elétrica existente entre dois pontos que estão em temperaturas diferentes num condutor. Este efeito foi estudado por William Thomsom (Lord Kelvin). Em 1854, Thomson concluiu, através das leis da termodinâmica, que a condução de calor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio. Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson.
Um termômetro com um bulbo cheio de líquido em uma extremidade, os líquidos mais comumente usados são Mercúrio, Tolueno, Álcool, Pentano, Creosoto, mostram leituras diferentes para temperaturas diferentes da leitura fixa por causa de suas propriedades de expansão diferentes. Um termômetro que usa um gás, por outro lado, mostra a mesma leitura para temperaturas. Não importa o tipo de gás usado. Experimentos mostram que todos os gases se expandem da mesma maneira em baixas densidades. Pressão (P), volume (V) e temperatura (T) onde T = t + 273,15 et é a temperatura em ° C são as variáveis que explicam o comportamento de uma dada quantidade (massa) de gás. A lei dos gases ideais, também conhecida como equação universal dos gases, é um estado da equação para um gás ideal hipotético. Apesar de suas falhas, a lei dos gases ideais fornece uma boa aproximação do comportamento de muitos gases em uma variedade de situações. Benoit Paul Émile Clapeyron propôs a lei do gás ideal em 1834 como uma mistura da lei empírica de Charles, lei de Boyle, lei de Avogadro e lei gay. De Lussac. Equação de gás idealAs leis dos gases ideais são a combinação do trabalho observacional de Boyle no século XVII e de Charles no século XVIII. Lei de Boyle: A pressão do gás é inversamente proporcional ao volume do gás para uma determinada quantidade de gás mantida a uma temperatura fixa, ou seja, a uma temperatura constante, a relação entre a pressão e o volume de uma quantidade de gás pode ser escrita como,
Lei de Charles: O volume do gás é diretamente proporcional à temperatura do gás para uma determinada quantidade fixa de gás mantida a uma pressão constante, ou seja, a uma temperatura constante, a relação entre o volume e a temperatura de uma quantidade de gás pode ser escrita como,
Essas duas leis se aplicam a gases de baixa densidade e podem ser agrupadas em uma única relação. É importante notar que, PV = Constante e V / T = Constante Para uma determinada quantidade de gás, então PV / T deve, portanto, ser uma constante também. Pode ser afirmado de uma forma mais geral que se aplica a qualquer quantidade de qualquer gás de baixa densidade, não simplesmente uma quantidade específica desse gás. Essa relação descreve a lei dos gases ideais e é conhecida como a equação dos gases ideais .
Também pode ser declarado de uma forma mais geral que se aplica a qualquer quantidade de qualquer gás de baixa densidade, não simplesmente uma quantidade específica desse gás. Derivação da Equação do Gás Ideal
Temperatura absoluta
A temperatura tem uma relação direta com a pressão e o volume, ou seja, PV ∝ T Essa relação possibilita um gás que será utilizado para determinar a temperatura em um termômetro a gás com volume constante. Portanto, em volume constante, a relação pode ser escrita como, P ∝ T , e a temperatura é lida em termos de pressão com um termômetro de gás de volume constante. Uma linha reta emerge de um gráfico de pressão contra temperatura. Em volume constante, um gráfico de pressão versus temperatura de um gás de baixa densidade As observações sobre gases reais diferem dos valores previstos pela lei dos gases ideais em baixas temperaturas. No entanto, a relação é linear em uma ampla faixa de temperatura e parece que se o gás permanecesse um gás, a pressão cairia para zero com a diminuição da temperatura. Extrapolar a linha reta para o eixo produz a temperatura mínima absoluta para um gás ideal. O zero absoluto é definido como uma temperatura de - 273,15 graus Celsius. A escala de temperatura Kelvin, frequentemente conhecida como escala de temperatura absoluta, é baseada no zero absoluto. A mesma temperatura zero absoluta em um gráfico de pressão versus temperatura e extrapolação de linhas para gases de baixa densidade. Na escala de temperatura Kelvin, - 273,15 ° C é considerado o ponto zero, ou seja, 0 K. Em ambos os sistemas de temperatura Kelvin e Celsius, o tamanho da unidade é o mesmo. Portanto, a relação entre eles pode ser expressa como T = t + 273,15 onde t é a temperatura em ° C Problemas de amostraProblema 1: Qual é o volume ocupado por 2,34 gramas de gás dióxido de carbono em STP? Solução:
Problema 2: Uma amostra de gás argônio em STP ocupa 56,2 litros. Determine o número de moles de argônio e a massa de argônio na amostra. Solução:
Problema 3: em que temperatura 0,654 moles de gás neon ocupará 12,30 litros a 1,95 atmosferas? Solução:
Problema 4: derivar a equação do gás ideal? Solução:
Problema 5: 5,600 g de CO2 sólido são colocados em um recipiente lacrado de 4,00 L vazio a uma temperatura de 300 K. Quando todo o CO2 sólido se torna gás, qual será a pressão no recipiente? Solução:
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