Medir a temperatura corretamente é muito importante em todos os ramos da ciência, seja a física, a química, a biologia, etc. Muitas propriedades físicas dos materiais dependem da sua temperatura. Por exemplo, a fase do material, se ele é sólido, líquido ou gasoso, tem relação com sua temperatura. Outras propriedades como a densidade, a solubilidade, a pressão de vapor, a condutividade elétrica, entre várias, dependem da temperatura. A temperatura do corpo humano, mantido constante em torno de 37oC, regula inúmeros processos biológicos e químicos. A temperatura revela a noção comum do que é quente ou frio. O material ou substância que está à temperatura superior é dito o material quente , o mais quente, etc.
No nível macroscópico, a temperatura está associada ao movimento aleatório dos átomos da substância que compõem o sistema. Quanto mais quente o sistema, maior é a freqüência de vibração dos átomos. A temperatura é uma propriedade intensiva de um sistema, assim dita por não depender da massa do sistema (a propriedade extensiva do sistema é aquela que depende da massa). Assim, temperatura, pressão, densidade, viscosidade são propriedades intensivas. A própria massa, o volume, a energia cinética, a quantidade de movimento de um sistema são propriedades extensivas.
A temperatura é a propriedade que governa o processo de transferência de calor (energia térmica) para e de um sistema. Dois sistemas estão em equilíbrio térmico quando suas temperaturas são iguais, isto é, calor não flui entre eles. Havendo uma diferença de temperatura, o calor fluirá do sistema mais quente para o mais frio, até que se restabeleça o equilíbrio térmico, por meio de processos de condução e/ou convecção e/ou radiação. Assim, a temperatura está relacionada com a quantidade de energia térmica de um sistema. Quando mais se adiciona calor a um sistema, mais sobe sua temperatura; de forma similar, uma diminuição da temperatura de um sistema implica em que ele está perdendo energia térmica. Por exemplo, a temperatura controla o tipo e quantidade de energia térmica que é emitida por radiação de uma superfície. Uma superfície metálica negra a baixa temperatura, à temperatura do corpo humano, por exemplo, emite uma quantidade pequena de radiação infravermelha. À medida que a temperatura do material aumenta, sua superfície emite quantidades maiores de energia térmica em uma banda de frequência superior (radiação visível, por exemplo, o metal fica alaranjado, depois amarelo, etc): maior a frequência, menor o comprimento de onda. Este mesmo fenômeno pode ser observado na chama do fogão. Regiões amarelas, de mais baixa temperatura, regiões quentes, azuladas, de temperatura superior.
Unidades de Temperatura
Há dois sistemas de unidades em que escalas de temperatura são especificadas. No Sistema Internacional de Unidades, SI, a unidade básica de temperatura é o grau Kelvin (K). O grau Kelvin é formalmente definido como sendo (1/273,16) da temperatura do ponto triplo da água, isto é, a temperatura na qual a água pode estar, em equilíbrio, nos estados sólido, líquido e gasoso. A temperatura de 0 K é chamada de zero absoluto, correspondendo ao ponto no qual moléculas e átomos têm o mínimo de energia térmica. Nas aplicações correntes do dia-a-dia usa-se a escala Celsius, na qual o 0 oC é a temperatura de congelamento da água e o 100 oC é a temperatura de ebulição da água à pressão atmosférica ao nível do mar. Em ambas as escalas a diferença de temperatura é a mesma, isto é, a diferença de temperatura de 1 K é igual à diferença de temperatura de 1 oC, a referência é que muda. A escala Kelvin foi formalizada em 1954.
A escala Celsius foi chamada, originalmente, de escala centígrada ou centesimal, dada a graduação centesimal, 1/100. Em 1948 o nome oficial foi estabelecido pela 9a Conferência Geral de Pesos e Medidas (CR64). Esta conferência é uma das três organizações responsáveis pela regulamentação do Sistema Internacional de Unidades, SI, sob os termos da Convenção Métrica de 1875. A última reunião da Conferência aconteceu em 2002.
A escala Celsius foi nomeada após Anders Celsius, famoso cientista sueco. Astrônomo, ele estudou também meteorologia e geografia, ciências que não são inseridas na astronomia de hoje. A partir de suas observações metereológicas ele construiu o termômetro de Celsius e estabeleceu as bases da escala Celsius de temperatura. É interessante observar que a escala do famoso termômetro Celsius era invertida com relação ao de hoje: 0 oC era o ponto de ebulição da água e 100 oC era o ponto de congelamento da água. Somente depois de sua morte, em 1744, a escala foi invertida para sua presente forma.
Algumas datas históricas da termometria são:
170 DC Galeno propôs um padrão de medição de temperatura, a temperatura que resulta da mistura de quantidades iguais de água em ebulição e gelo.
1592 - Galileu Galilei inventou o primeiro instrumento de medição de temperatura, um dispositivo de vidro contendo líquido e ar, o chamado barotermoscópio. A medida era influenciada pela pressão.
1624 - A palavra termômetro apareceu pela primeira vez em um livro intitulado La Récréation Mathématique de J. Leurechon, mas a termometria ainda estava longe de chegar a um consenso a respeito da medida desta nova grandeza.
1665 - Christian Huygens, cientista holandês, declarava em 1665: Seria conveniente dispor-se de um padrão universal e preciso de frio e calor . . Neste mesmo ano, Robert Boyle (cientista irlandês) declarava: Necessitamos urgentemente de um padrão . não simplesmente as várias diferenças desta quantidade (temperatura) não possuem nomes . e os termômetros são tão variáveis que parece impossível medir-se a intensidade do calor ou frio como fazemos com tempo, distância, peso . .
1694 - Carlo Renaldini, sucessor de Galileo em Pádua, sugeriu utilizar-se o ponto de fusão do gelo e o ponto de ebulição da água como dois pontos fixos em uma escala termométrica, dividindo-se o espaço entre eles em 12 partes iguais. A sugestão de Renaldini foi desprezada e esquecida.
1701 - Isaac Newton definiu uma escala de temperatura baseada em duas referências, que foram determinadas pelo banho de gelo fundente (zero graus) e a axila de um homem saudável (12 graus). Nesta escala a água ferve a 34 graus.
1706 - Gabriel Fahrenheit trabalhou com o mercúrio como líquido manométrico. Ele notou que sua expansão era grande e uniforme, ele não aderia ao vidro, permanecia líquido em uma faixa grande de temperaturas e sua cor prata facilitava a leitura. Para calibrar o termômetro de mercúrio Fahrenheit definiu 3 pontos: um banho de gelo e sal (32 oF) - o mais frio reprodutível, a axila de um homem saudável (96 oF) e água ebulindo - o mais quente reprodutível (212 oF). Redefiniu a escala de Newton como múltiplos de
12 - 12, 24, 48 e 96.
1742 - Anders Celsius propôs uma escala entre zero e 100, correspondendo ao ponto de ebulição da água e fusão do gelo, respectivamente.
Anders Celsius Termômetro Celsius
Então, no período em que Celsius viveu já haviam vários termômetros sendo usados, e já era corrente que uma escala de temperatura deveria ser baseada em temperaturas padrão, chamadas de pontos fixos. Em um trabalho científico denominado de "Observations of two persistent degrees on a thermometer" ele relatou sobre experimentos que verificaram que a temperatura de congelamento da água independia da latitude e, consequentemente, da pressão barométrica. Ele verificou também a dependência da temperatura da ebulição da água com a pressão atmosférica, propondo então estes dois pontos fixos para a construção de uma escala de temperatura.
1780 - o físico francês Charles mostrou que todos os gases apresentam aumentos de volume iguais correspondentes ao mesmo incremento de temperatura, o que possibilitou o desenvolvimento dos termômetros de gases.
Séc. XIX - na primeira metade do século XIX foi desenvolvido um termômetro baseado nos trabalhos de Boyle, Mariotte, Charles, Gay-Lussac, Clapeyron e Regnault. O princípio de medida era a expansão do ar. O assim chamado termômetro a ar foi logo reconhecido como o instrumento menos vulnerável a variações não controladas ou desconhecidas e foi aceito largamente como padrão de comparação para todos os tipos de termômetros.
1887 - Chappuis estudou termômetros de hidrogênio, nitrogênio e gás carbônico, o que resultou na adoção de uma escala entre os pontos fixos de fusão (0 C) e ebulição (100 C) da água, chamada de Escala Prática Internacional de Temperatura pelo Comité International de Poids e Mesures.
A Escala Internacional de Temperatura de 1990 é a mais recente, adotada após a convenção do 1989 da Conferência Geral de Pesos e Medidas. Esta escala de 1990 supera a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS 1968). Como as escalas de temperaturas mais antigas geralmente tinham o ponto de congelamento da água (273,15 K) como referência, a relação entre as temperaturas nas escalas Kelvin e Celsius é:
t90 / ºC = T90 / K 273,15
sendo t90 / oC e t90 / K as temperaturas em graus Celsius e Kelvin, respectivamente, de acordo com a ITS 90.
As escalas modernas de temperatura são baseadas em vários pontos fixos, que estabelecem faixas de temperatura. As temperaturas intermediárias entre os pontos fixos são obtidas com instrumentos (termômetros) específicos. Os pontos fixos definidos pela ITS 90 são:
Pontos Fixos da ITS 90 (Michalski et al, 1991).
Calor é uma forma de energia que passa de um corpo a outro até atingir o equilibrio térmico.
