temperatura - Wikilingue - Encydia
Temperatura é un parámetro físico (unha función de estado) descritivo dun sistema que vulgarmente se asocia ás nocións de frío e calor, ben como ás transferencias de enerxía térmica, mais que se podería definir, máis exactamente, so un punto de vista microscópico, como a medida da enerxía cinética asociada ao movemento (vibração) aleatório das partículas que compoñen un dato sistema físico.
A relación entre enerxía cinética media e temperatura é restrinxida a gases ; por tanto, non se aplica a temperaturas próximas do cero absoluto. Entón, temperatura cero non quere dicir que todo estea en repouso. Iso si; todos os átomos e moléculas están no estado fundamental.[1]
A diferenza de temperatura permite a transferencia da enerxía térmica, ou calor, entre dous ou máis sistemas. Cando dous sistemas están na mesma temperatura, eles están en equilibrio térmico e non hai transferencia de calor. Cando existe unha diferenza de temperatura, a calor é trasladada do sistema de temperatura maior para o sistema de temperatura menor até atinxir un novo equilibrio térmico. Esta transferencia de calor pode acontecer por condução , convecção ou irradiação térmica (vexa calor para obter máis detalles sobre os diversos mecanismos de transferencia de calor). As propiedades precisas da temperatura son estudadas en termodinâmica . A temperatura ten tamén un papel importante en moitos campos da ciencia, entre outros a física, a química e a bioloxía.
A temperatura é directamente proporcional á cantidade de enerxía térmica nun sistema. Canto máis enerxía térmica se xunta a un sistema, máis a súa temperatura aumenta. Ao contrario, unha perda de calor provoca un abaixamento da temperatura do sistema. Na escala microscópica, esta calor corresponde á transmisión da axitación térmica entre átomos e moléculas no sistema. Así, unha elevación de temperatura corresponde a un aumento da velocidade de axitación térmica dos átomos.
Moitas propiedades físicas da materia como as súas fases ( estado sólido, líquido, gasoso, plasma ou condensado de Bose-Einstein), a densidade,a solubilidade, a presión de vapor e a condutibilidade eléctrica dependen da temperatura. A temperatura ten tamén un papel importante no valor da velocidade das reaccións químicas. É por iso polo que o corpo humano posúe algúns mecanismos para manter a temperatura a 37°C, visto que unha temperatura un pouco maior pode resultar en reaccións nocivas á saúde, con consecuencias serias. A temperatura controla tamén o tipo e a cantidade de radiações térmicas emitidas pola área. Unha aplicación deste efecto é a lâmpada incandescente, en que o filamento de tungstênio é quecido electricamente até unha temperatura onde unha cantidade notábel de luz visíbel é emitida.
A temperatura é unha propiedade intensiva dun sistema, o que significa que ela non depende do tamaño ou da cantidade de materia no sistema. Outras propiedades intensivas son a presión e a densidade. Ao contrario, masa e volume son propiedades extensivas e dependen da cantidade de material no sistema.
Táboa de contido |
Unidades de temperatura
A unidade básica de temperatura é o kelvin (K). Un kelvin é rigorosamente definido como sendo 1/273,15 da temperatura do punto triplo da auga (o punto onde auga, xeo e vapor de auga coexistem en equilibrio) . A temperatura 0 K é chamada cero absoluto e corresponde ao punto onde as moléculas e átomos posúen a menor cantidade posíbel de enerxía térmica.
| Conversão de |
para
|
Fórmula
|
| Celsius | Fahrenheit | °F = °C × 1,8 + 32 |
| Celsius | kelvin | K = C° + 273,15 |
| Celsius | Rankine | °R = °C × 1,8 + 32 + 459,67 |
| Celsius | Réaumur | °Ré = °C × 0,8 |
| kelvin | Celsius | °C = K - 273,15 |
| kelvin | Fahrenheit | °F = K × 1,8 - 459,67 |
| kelvin | Rankine | °R = K × 1,8 |
| kelvin | Réaumur | °Ré = (K - 273,15) × 0,8 |
| Fahrenheit | Celsius | °C = (°F - 32) / 1,8 |
| Fahrenheit | kelvin | K = (°F + 459,67) / 1,8 |
| Fahrenheit | Rankine | °R = °F + 459,67 |
| Fahrenheit | Réaumur | °R = (°F - 32) / 2,25 |
| Rankine | Celsius | °C = (°R - 32 - 459,67) / 1,8 |
| Rankine | Fahrenheit | °F = °R - 459,67 |
| Rankine | kelvin | K = °R / 1,8 |
| Rankine | Réaumur | °R = °Ré × 2,25 + 491,67 |
| Réaumur | Celsius | °C = °Ré / 0,8 |
| Réaumur | Fahrenheit | °F = °Re × 2,25 + 32 |
| Réaumur | kelvin | K = °Ré × 1,25 + 273,15 |
| Réaumur | Rankine | °Ré = (°R − 491,67) × 4⁄9 |
Para aplicacións diarias, é sempre conveniente utilizar a escala Celsius, na cal 0º corresponde á temperatura onde a auga conxela e 100º corresponde ao punto de ebulição da auga ao nivel do mar. Nesta escala, a diferenza de temperatura de 1 grao é a mesma que 1 K de diferenza de temperatura. A escala Celsius é esencialmente a mesma que a escala Kelvin; porén, cun desprazamento da temperatura de congelamento da auga (273,16 K). Así, a seguinte ecuación pode ser utilizada para converter Celsius en Kelvin.
Nos Estados Unidos, a escala Fahrenheit é xeralmente utilizada. Nesta escala, o punto de congelamento da auga corresponde a 32 °F e o punto de ebulição a 212 °F. A seguinte fórmula pode ser utilizada para converter Fahrenheit para Celsius:
Outras unidades ou escalas de temperatura son o Rankine e o Réaumur.
Clasificación das unidades de temperatura
As unidades (escalas) de medição da temperatura divídense fundamentalmente en dous tipos: relativas e absolutas. Os valores que pode adoptar a temperatura en calquera escala de medição non teñen un nivel máximo, senón un nivel mínimo: o cero absoluto. Mentres que as escalas absolutas se basean no cero absoluto, as relativas teñen outras formas de se definir.
Relativas
- Grao Celsius (°C). Para estabelecer unha base de medida da temperatura, Anders Celsius utilizou (en 1742 ) os puntos de fusión e ebulição da auga. Considérase que unha mestura de xeo e auga que se encontra en equilibrio (con ar saturado a 1 atm) está ao momento de fusión. Unha mestura de auga e vapor de auga sen ar (en equilibrio a 1 atm de presión) está ao momento de ebulição. Celsius dividiu o intervalo de temperatura que existe entre estes dous puntos en 100 partes iguais, a cales el chamou graos centígrados (°C). Mais en 1948 foron renomeados como graos Celsius en súa homenaxe. Foi así que se comezou a usar a letra maiúscula para denominalos.
- En 1954 a escala Celsius foi redefinida na Décima Conferencia de Pesos e Medidas en termos dun só punto fixo e da temperatura absoluta do cero absoluto. O punto escollido foi o punto triplo da auga que é o estado das tres fases da auga que coexistem en equilibrio, ao cal se lle atribuíu un valor de 0,01 °C. A magnitude do novo grao Celsius se define a partir do cero absoluto como a fracción 1/273,16 do intervalo de temperatura entre o punto triplo da auga e o cero absoluto. Como na nova escala os puntos de fusión e ebulição da auga son 0,00 °C e 100,00 °C respectivamente, resulta idéntica á escala da definición anterior, coa vantaxe de ter unha definición termodinâmica.
- Grao Fahrenheit (°F). Toma divisións entre os puntos de congelamento e evaporação de disolucións de cloreto de amônio. É unha unidade tipicamente usada nos países anglo-saxões.
- Grao Réamur (°Ré, °Re, °R). Usado para procesos industriais específicos, como o do xarope.
- Grado Rømer ou Roemer. En desuso.
- Grao Newton (°N). En desuso.
- Grao Leiden. Usado para calibrar indirectamente baixas temperaturas. En desuso.
- Grao Delisle (°D) En desuso.
Absolutas
As escalas que atribúen os valores da temperatura en dous puntos distintos se coñecen como escalas a dous puntos. Mais no estudo da termodinâmica é necesario ter unha escala de medição que non dependa das propiedades das sustancias. As escalas deste tipo se coñecen como escalas absolutas ou escalas de temperatura termodinâmicas.
Sistema Internacional de Unidades (SI)
- Kelvin (K) O Kelvin é a unidade de medida do SI. A escala Kelvin absoluta forma parte do cero absoluto e define a magnitude de súas unidades, de tal forma que o punto triplo da auga é exactamente a 273,16 K.
- Nota: Non se lle antepõe a palabra grao nin o símbolo º.
- Grao Rankine (°R ou °Ra). Escala con intervalos de grao equivalentes á escala Fahrenheit. A escala Rankine se inicia nos -459,67 °F (aproximadamente)
- Nota: É común chamar unha temperatura de temperatura abaixo de cero cando ela é menor que cero na escala Celsius.
Distribución da temperatura
En todo ambiente é preciso considerar a temperatura externa. No ambiente aquático, a temperatura non descende abaixo do punto de congelação en condicións naturais. Por tanto, isto significa que a temperatura da auga non é nunca inferior a 0 °C e nos océanos nunca descende alén de -2,5 °C.[2]
A temperatura aquática varía sempre dentro dos límites de tolerancia para moitos animais e vegetais.
Nalgúns desertos xa se observou 60 °C.[2] Os solos dos mesmos, expostos aos raios solares, chega a 84º. En augas de fontes termais, como, por ex., os geisers, xa se sinalou case 100º. En oposición a iso, no Geofísico Internacional, os meteorologistas soviéticos localizaron un punto a 640 km do Polo sur onde rexistraron -87 °C.
Mudanzas de Temperatura
.jpg/180px-10_34_Uhr,_35_C_(197875708).jpg)
As mudanzas de temperatura varían de ciclos da Astronomia e de ciclos climáticos. No ambiente aquático a pasaxe do sol á sombra orixina unha variación inferior a 0,1°C, até a profundidade de 5 metros. Xa na superficie terrestre, hai momentos en que a temperatura é 17°C máis elevada durante o día do que a noite.[2] Nas rexións de deserto esta diferenza pode atinxir 40°C.
Algo interesante é o traxe que a temperatura varía coa altura. Así, compróbase unha diminución de aproximadamente 1°C para cada 150 metros que se sobe.[2] o desigual quecemento horizontal e/ou vertical produce os movementos da atmosfera que se manifestan por medio dos ventos.
O ar quece en todos os niveis, por causa da radiação solar que absorbe e de maneira idéntica pode arrefecer en todos os niveis. Os raios ultravioletas tamén producen quecemento cando absorbidos.
Existe unha capa cuxa temperatura non varía: a capa termoclina permanente.
Os fundamentos teóricos da temperatura
Definición da temperatura a partir principio Cero da termodinâmica
A pesar de todo o mundo ter unha comprensión básica do concepto de temperatura, súa definición precisa é un pouco complicada.Se dous sistemas con volumes constantes son postos en contacto térmico, as propiedades de ambos os sistemas poden mudar. Estas mudanzas son debidas á transferencia de calor entre os sistemas. Cando o estado para de mudar, o sistema está en equilibrio térmico. Agora, podemos obter a definición da temperatura a partir do principio da Lei cero da termodinâmica. O principio cero da termodinâmica di que se dous sistemas A e B están en equilibrio térmico e un terceiro sistema C está en equilibrio térmico co sistema A, entón os sistemas B e C están tamén en equilibrio.Iso é un traxe empírico, baseado máis sobre a observación do que sobre a teoría. Como A, B e C están todos en equilibrio térmico, é razoábel se pensar que os sistemas teñen o valor dunha propiedade en común. Chamamos esta propiedade de temperatura. En xeral, non é práctico pór dous sistemas en equilibro térmico para verificar se eles están á mesma temperatura. Tamén, daría só unha escala ordinal. Por iso, é útil estabelecer unha escala de temperatura baseada nas propiedades dun sistema de referencia. Un dispositivo de medição pode ser calibrado coas propiedades do sistema de referencia e utilizado, despois, para medir a temperatura do outros sistemas. Un tal sistema de referencia é unha cantidade fixa de gases. A lei dos gases perfectos indica que o produto da presión polo volume (P.V) dun gas é directamente proporcional á temperatura:
onde T é a temperatura, n é o número de mols de gases e R é a constante dos gases perfectos. Así, podemos definir unha escala de temperatura baseada sobre o volume e a presión do gas correspondente. En práctica, un tal termômetro a gas non é moi práctico, porén os outros instrumentos poden ser calibrados neste escala. A ecuación 1 indica que para un volume fixo de gas, a presión aumenta xunto coa temperatura. A presión é só a medida da forza aplicada polo gas nas paredes do recipiente e é ligada á enerxía do sistema. Así, pódese ver que un aumento da temperatura corresponde a un aumento da enerxía térmica do sistema. Cando dous sistemas de temperatura distinta son postos en contacto térmico, a temperatura do sistema máis quente diminúe indicando que a calor esta saíndo do sistema, e que o sistema máis frío gaña calor e aumenta en temperatura. Así, a calor sempre se move da rexión de alta temperatura para a rexión de máis baixa temperatura, e é esta diferenza de temperatura quen dirixe a transferencia de calor entre os dous sistemas.
Definición da temperatura a partir do Segundo Príncípio da termodinâmica
No parágrafo anterior a temperatura foi definida a partir Principio Cero da termodinâmica. É tamén possíveI de definir a temperatura a partir do Segundo Principio da termodinâmica, que trata da entropia. A entropia é unha medida da desorde nun sistema. O Segundo principio estabelece que calquera proceso leva a unha entropia constante ou maior do universo. Pode ser entendido en termo de probabilidade. Sexa unha serie de moedas. Unha orde perfecta é aquela onde todas as moedas presentan cara ou todas presentan coroa. Para calquera número de moeda, existe soamente unha combinación que corresponde a esta situación. Dun outro lado, hai moitas combinacións que resultan en sistemas desordenados ou mesturados, onde unha parte é cara e o resto é coroa. Co aumento do número de moedas, aumenta o número de combinacións que corresponden a sistemas desordenados. Para un número moi grande de moedas, o número de combinacións correspondendo a 50% coroas e 50% caras son as máis probábeis, e obter un resultado de 50/50 fica moito máis probábel. Así, un sistema tende naturalmente para o desorde máximo ou entropia máxima.
Nós estabelecemos, primeiro, que a temperatura controla o fluxo de calor entre dous sistemas e acabamos de mostrar que o universo, e podemos supor o mesmo para calquera sistema natural, tende a atinxir súa entropia máxima. Entón podemos pensar que existe unha relación entre temperatura e entropia. Para pensar esta relación, imos estudar a relación entre calor, traballo e temperatura. A máquina térmica é un dispositivo para converter calor en traballo mecánico e unha análise da máquina térmica de Carnot fornece a relación que procuramos. O traballo fornecido por unha máquina térmica corresponde a unha diferenza entre a calor introducida no sistema na temperatura maior, gH, e a calor perdida a baixa temperatura, qc. O rendemento é o traballo executado dividido pola calor introducida no sistema ou:
onde Wcy é o traballo fornecido por ciclo. Vemos que o rendemento depende só de qC/qH. Como qC e qH corresponden á transferencia de calor nas temperaturas TC e TH, qC/qH deben ser unha función destas temperaturas:
O teorema de Carnot estabelece que calquera máquina reversível traballando entre os mesmos reservatórios de calor ten o mesmo rendemento. Así, unha máquina operando entre T1 e T3 debe ter o mesmo rendemento que unha constituída de dous ciclos, un traballando entre T1 e T2 e a outro operando entre T2 e T3. Pode só ser certo se :.
o que implica:
Como a primeira función é independente de T2, esta temperatura debe ser cancelada do lado dereito significando que f(T1,T3) é da forma g(T1)/g(T3) (significa que f(T1,T3) =f(T1,T2)f(T2,T3)= g(T1)/g(T2)· g(T2)/g(T3) = g(T1)/g(T3)), onde g é unha función dunha soa temperatura. Pódese agora escoller a escala de temperatura por medio da propiedade:
Substituíndo a ecuación 4 na ecuación 2, obtemos a relación do rendemento en termos de temperatura :
Observamos que para TC = 0 K, o rendemento é 100% e que o rendemento fica maior que 100% abaixo de 0 K. Como unha eficiencia maior que 100% é contraria ao primeiro principio da termodinâmica, 0K é entón a menor temperatura posíbel. De traxe, a menor temperatura alcanzada é 20 nK como relatado en 1985 no NIST. Subtraindo o lado dereito da ecuación 5 da parte media e reorganizando, obtense:
onde o sinal negativo indica a calor retirada do sistema. Esta relación suxire a existencia dunha función de estado, S, definida como :
onde o índice indica un proceso reversível. A variación da función nun ciclo é cero como é necesario para calquera función de estado. Esta función é a entropia do sistema como descrito enriba. Podemos reordenar a ecuación 6 para obter a definición da temperatura en termos de entropia e de calor:
Para un sistema, onde a entropia pode ser formulada como unha función S(E) da enerxía E, a temperatura é dada por :.
O inverso da temperatura é a variación da entropia coa enerxía.
Medição da temperatura
Moitos métodos foron desenvolvidos para medir as temperaturas. Moitos deles son baseados sobre o efecto da temperatura sobre materias. Un dos dispositivos máis utilizados para medir a temperatura é o termômetro de vidro. Consiste nun tubo de vidro contendo mercúrio ou un outro líquido. A subida da temperatura provoca a expansión do líquido, e a temperatura pode ser determinada medindo o volume do líquido. Tales termômetros normalmente son calibrados e así poden mostrar a temperatura simplemente observando o nivel do líquido no termômetro. Un outro tipo de termômetro que non é moi práctico mais é importante de punto de visto teórico é o termômetro de gas. Outros instrumentos de medição da temperatura son:
Debemos coidar cando medimos a temperatura e verificar que o instrumento de medição está realmente á mesma temperatura que o material a ser medido, debido a que nalgunhas circunstancias, a calor do instrumento de medição pode provocar un gradiente de temperatura de tal forma que a temperatura medida sexa distinta da temperatura real do sistema. Nestes casos, a temperatura variará non soa coa temperatura do sistema mais tamén coas propiedades de transferencia de calor do sistema. Un caso extremo deste efecto é a sensación térmica, onde o tempo parece máis frío no vento que por tempo calmo mesmo cando as condicións de temperatura son as mesmas. O que acontece é que o vento aumenta a velocidade de transferencia de calor do corpo, tendo como efecto unha gran redución da temperatura do corpo para unha mesma temperatura ambiente.
Marca de temperatura
Utilizando un acelerador de partículas, científicas do Laboratorio Nacional de Brookhaven obtiveron en 15 de febreiro de 2010 , por algúns milésimos de segundos, a temperatura de 4 trilhões de graos celsius, a maior temperatura xa obtida na historia. Esa temperatura é suficiente para desintegrar a materia, podendo derreter protons e neutrons. Espérase que a experiencia sirva para explicar como e por que o universo foi formado.[3][4]
Referencias
- ↑ Sobre o cero absoluto
- ↑ a b c d BONSANELLO, Aurélio; Afídio, in "Bioloxía", Volume III, Biblioteca do Paronama Cientifico, Editora Educacional LTDA.
- ↑ Fox, Maggie. "Científicos desenvolven maior temperatura da historia nos EUA". O Globo. 15/02/2010. (páxina da noticia visitada en 16/02/2010)
- ↑ "Proba obtén a maior temperatura da historia". Estadao.con.br. 16/02/2010. (páxina da noticia visitada en 16/02/2010)
