Os termos Temperatura e Calor algumas vezes são erroneamente usados como sinônimos. Embora os dois conceitos estejam associados, eles possuem significados e definições diferentes. Nesta seção, buscamos deixar claro o conceito de temperatura e as tecnologias relacionadas à sua mensuração – termômetros e escalas termométricas. Na sessão 3.3 adiante, exploraremos o conceito de calor.
A temperatura de um sistema foi, por muito tempo definida apenas qualitativamente, como quente ou fria. Numerosos estudiosos mencionam entre o final do século XVI e o início do XVII, os experimentos de Galileu (1564-1642) para quantificar a temperatura (PIRES, at. al, 2006). Tais experimentos, baseavam-se no fenômeno de expansão do ar após aquecimento. A partir da construção do Termoscópio de Galileu, diversos Termômetros foram construídos, inclusive pelo próprio Galileu, baseado na densidade dos líquidos. O primeiro termômetro de álcool, construído em 1640 pelo duque Ferdinando II (1610-1670), da Toscânia, teve aplicação imediata nas áreas da medicina, agricultura e meteorologia (ROCHA, 2002).
Segundo Pires, et. al (2006; p. 105), “desde o início do século XIX, a temperatura foi reconhecida como um dos pontos-chave do ensino básico em Física devido à sua importância na caracterização e na determinação de inúmeros fenômenos físicos, químicos e biológicos”. Fazendo parte dos conteúdos das disciplinas da área de “ciências naturais”, especialmente da disciplina de física no ensino fundamental e médio.
A evolução da quantificação da temperatura exigiu a introdução de pontos fixos para que os experimentos pudessem ser comparados pelos diversos cientistas que estudavam o fenômeno na época. O primeiro a afirmar que eram preciso dois pontos fixos para a construção de uma escala, foi Joachin Dalence (1640-1707), em 1668. Dalence estabeleceu como pontos fixos a fusão do gelo e a fusão da manteiga, utilizando em seus experimentos um termômetro de etanol. Em 1694, Renaldini (1615-1698) propôs o ponto de ebulição da água, como segundo ponto fixo, haja vista sua maior praticidade e reprodutibilidade. Quem também propôs o uso da fusão do gelo e ebulição da água, como pontos fixos da escala foi Isaac Newton (1642-1727)
em 1701 no seu artigo, A Scale of Degrees of Heat and Cold, onde também mencionou a lei de resfriamento6 que leva seu nome. Devido à grande diversidade de substâncias utilizadas como refrigerantes para a água (gelo, neve, sal de cozinha, sal de amoníaco, cinzas, carvão) e de várias substâncias termométricas (álcool, mercúrio, alcatrão, óleo de linhaça, azeite de oliva), a determinação da temperatura por meio de um termômetro dependia dos métodos empregados por cada cientista na construção daqueles instrumentos (PIRES, at. al, 2006).
A construção de termômetros semelhantes aos que conhecemos hoje se iniciou em 1702, com o Olaf Röemer (1644-1710) utilizando como pontos fixos a fusão do gelo e a ebulição da água (PIRES, at. al, 2006). Os experimentos de Röemer influenciaram diretamente o desenvolvimento da escala termométrica de Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) em 1724. O zero (0 °F) da escala Fahrenheit corresponde à temperatura de uma mistura congelante de água, gelo, e sal de amônio (salmoura). Segundo Medeiros (2207, p. 166):
[...] com o intuito de tornar as medidas de seus termômetros mais precisas dividiu o tamanho de cada grau (da escala Röemer) em quatro partes iguais. Isso se deu por volta de 1717 logo após passar a utilizar o mercúrio filtrado em membranas de couro nos seus termômetros, tornando-os assim mais precisos. [...]. Com essa modificação o número de graus foi multiplicado por quatro, o que acarretou que a temperatura de fusão do gelo passou a ser 32°enquanto a do corpo humano subiu para 96°. A escala Fahrenheit estava baseada verdadeiramente nestes dois pontos fixos, embora ele tenha assinalado os valores de várias outras temperaturas notáveis, dentre elas a da ebulição da água e da ebulição do mercúrio, respectivamente 212° e 600° em suas marcações.
A escala Celsius, proposta por Anders Celsius (1701-1744) foi publicada pela sociedade sueca em 1742, tendo como primeiro ponto fixo a ebulição da água (0°) e como segundo ponto o seu congelamento (100°). O biólogo sueco Carl von Linné (1707– 1778) que convenceu um fabricante de instrumentos científicos, Daniel Ekström (1711-1760) a inverter a escala e fabricar os termômetros nos moldes que usamos hoje – Ponto de congelamento da água (0°) e ponto de ebulição da água (100°) (RAFAEL, 2007; PIRES, at. al, 2006).
Sabendo que as moléculas de um gás estão em movimento desordenado, denominado agitação térmica, e que quanto mais intensa essa agitação, maior será a energia cinética média
6 A Lei do Resfriamento de Newton e algumas de suas possíveis aplicações é discutida na segunda
por molécula e, consequentemente, maior a temperatura. Na teoria cinética dos gases é possível mostrar que a pressão de 𝑁 moléculas de um gás ideal contido em um volume 𝑉 é dada por
𝑃 =2 3(
𝑁
𝑉) < 𝐾 >
onde 𝐾 > representa a energia cinética média por molécula. É esta quantidade 𝐾 > que é proporcional à temperatura absoluta do gás:
𝐾 >3 2𝑘𝐵𝑇 onde 𝑘𝐵 (=1,38∙10-38 J/K) é a constante de Boltzmann.
Pode-se imaginar que a temperatura mais baixa que pode existir seja aquela em que a agitação média das moléculas é nula, ou seja, a temperatura em que as moléculas estejam em repouso. A esse limite inferior de temperatura dá-se o nome de zero absoluto. Baseado neste estado térmico William Thomson ou Lord Kelvin (1824-1907) desenvolveu, em 1848, a escala absoluta de temperatura. Kelvin verificou que a pressão de um gás diminuía de 1/273 do valor inicial quando resfriado a volume constante de 0°C a –1 ºC, concluindo então que a pressão seria nula quando o gás atingisse a temperatura de -273ºC. Como a pressão do gás se deve aos choques (colisões) das moléculas com as paredes do recipiente, quando sua pressão for nula, as moléculas do gás devem estar em repouso. E se a temperatura é uma medida do grau de agitação molecular, ela também deve ser nula quando a agitação molecular for nula (PIRES, at. al, 2006).
No tratamento das escalas termométricas em sala de aula, mais do que memorizar suas definições e equacionar suas conversões, é importante compreender a importância de medidas e da adoção de diferentes escalas e unidades de medida, seguindo critérios distintos, ao longo da história. Em particular (SERWAY, 2006), as equações de conversão de escala são as seguintes: (i) a relação entre 𝑇𝐶, a temperatura em graus Celsius e a temperatura absoluta 𝑇, em kelvin é
𝑇𝐶 = 𝑇 − 273,15;
(ii) a relação entre as temperaturas Fahrenheit e Celsius é
𝑇𝐹= 9