27/05/2012

A Escala Kelvin

William Thomson, também conhecido como Lord Kelvin, nasceu em Belfast, na Irlanda a 26 de junho de 1824. Publicou mais de 600 trabalhos científicos e apresentou um total de 70 patentes. Ele era o presidente da Royal Society 1890-1895. Quando ele morreu em 1907, ele foi enterrado ao lado de Isaac Newton na Abadia de Westminster.

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No século XIX foram construídos muitos termômetros de gás a volume constante. Diferentes gases foram utilizados, assim como massas diferentes de um mesmo gás. Desde que, em cada caso, o gás fosse rarefeito e estivesse a uma temperatura nem acima da temperatura de liquefação, os gráficos da pressão em função da temperatura obtidos eram retilíneos. A inclinação da reta, por sua vez, podia ser diferente em cada caso, como podemos ver na figura abaixo:

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Houve, porém, um fato que chamou a atenção dos físicos: em todos os casos, prolongando-se as retas até o eixo horizontal, o encontro entre elas e o eixo ocorria em um ponto K, correspondente à temperatura de –273,15°C.

A este fato foi dada a interpretação: a pressão de um gás é resultado do impacto de suas moléculas com as paredes do recipiente ou com qualquer superfície em contato com ele. Assim, o ponto K do gráfico, que correspondia a uma pressão nula, corresponderia também a uma situação em que as moléculas do gás estivessem em repouso. Já que a temperatura está relacionada com a energia cinética média das moléculas do gás, a temperatura de –273,15°C seria a mais baixa temperatura possível de ser obtida.

Thomsom, em 1848, propôs outra escala de temperatura, a chamada escala Kelvin, onde o valor zero da escala Kelvin, chamado de zero kelvin (0 K), corresponde à temperatura de –273,15 °C.

Antigamente falava-se grau Kelvin e escrevia-se ºK. No entanto, em 1967, a 13ª Conferência Geral de Pesos e medidas aboliu o uso da palavra grau em relação à escala Kelvin. Desse modo, dizemos, por exemplo, que a temperatura do gelo em fusão sob 1 atm é de 273,15 kelvins (273,15 K) e não 273,15 graus Kelvin.

No caso do termômetro de gás a volume constante, se observarmos o gráfico da pressão do gás em função da temperatura em kelvins, obteremos:

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Podemos notar que a pressão p é diretamente proporcional à temperatura θ na escala Kelvin e, assim, a equação que relaciona p e θ é:

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onde G é uma constante que depende do tipo de massa do gás utilizado.

Isso significa que para calibrar um termômetro, não necessitamos de dois pontos fixos, gelo em fusão e água em ebulição, basta apenas um. Porém, tanto a temperatura do gelo em fusão e a água em ebulição não fornecem muita precisão. Por este motivo, em 1954, a 10ª Conferência Feral de Pesos e Medidas decidiu adotar outro ponto fixo, que pode ser obtido com maior precisão: o ponto triplo da água, que é precisamente definido como 273,16 K e 0,01 °C. Esta definição fixa a unidade da escala kelvin como uma parte em 273,16 partes da diferença entre as temperaturas do zero absoluto e do ponto triplo da água, estabelece que uma variação de temperatura Δθ(K) = 1K mensurada na escala Kelvin encontra-se igualmente representada pela variação de Δθ(C) = 1°C na escala Célsius, ou seja:

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estabelecendo que o valor da temperatura na escala Kelvin seja o valor da temperatura na escala Celsius somado a 273,15:

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O zero da escala Kelvin representa a temperatura que as moléculas de um gás estariam em repouso. Já o zero das escalas Celsius e Fahrenheit não correspondem ao repouso das moléculas. Por isso, estas escalas são chamadas de escalas relativas, enquanto a escala Kelvin é chamada de escala absoluta e o zero kelvin é chamado de zero absoluto.

No entanto, é impossível que as moléculas de um corpo fiquem em repouso, por isso o zero absoluto é inatingível. As temperaturas mais baixas já atingidas em laboratório são da ordem de 10– 9K.

A noção de partículas imóveis só faz sentido no universo da Física Clássica e a média das energias cinética das partículas não se aplica como definição para as temperaturas muito próximas ao zero absoluto, devendo neste caso uma parcela ser subtraída desta energia para obter-se a correta definição de temperatura.

Além da escala Kelvin ser utilizada para medir temperaturas, também é utilizada na representação das cores. Como forma de visualizar esta ideia, suponha um pedaço de ferro (um prego, por exemplo, seguro por um alicate) e aqueça-o na chama do fogo e observe o que acontecerá. Inicialmente, você verá ele mudará de cor, ficará vermelho escuro (rubro). Mantenha o aquecimento. A cor aos poucos mudará para uma tonalidade alaranjada. Mais um pouco e surge o amarelo. Se a fonte de calor for muito intensa, aquecendo o metal mais ainda, verá surgir o verde claro, depois o azul claro até atingir o azul escuro.

Kelvin, já sabia que a luz branca era formada a partir da soma de todas as outras cores e que cada cor individualmente poderia ser obtida aumentando-se a proporção de um ou de outro componente, como o vermelho, o azul, amarelo..., devido aos estudos de Newton em 1666 sobre a natureza da luz. Mas ele queria encontrar uma forma de medir os desvios de proporção na composição da luz branca, e então, teve uma ideia: imaginou um objeto totalmente negro, que absorvesse 100% de qualquer luz que incidisse sobre ele. Chamou-o de "corpo negro" e propôs que, quando o mesmo fosse aquecido, da mesma forma que a barra de ferro, passaria a emitir luz. E ainda em analogia à barra de ferro, a tonalidade da cor da luz emitida iria mudando conforme a temperatura aumentasse.

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Uma lâmpada fluorescente comum pode chegar até 6500K de temperatura correlata de cor, porém, ela tem uma radiação de calor menor que uma lâmpada de filamento. Isso acontece porque elas trabalham não com incandescência, mas usam a eletricidade para energizar os átomos dos gases que compõem sua estrutura. Por esta baixa emissão de calor, estas são chamadas de lâmpadas de “luz fria”. Embora a luz seja fria, ela pode assumir qualquer temperatura de cor dependendo de como for balanceada, e é essa temperatura de cor que vai influenciar, em ordem inversa, nos aspectos psicológicos do observador.

Uma mesma fonte de luz pode assumir três aspectos distintos: temperatura física (irradiação de calor), temperatura de cor (matiz) e temperatura psicológica (cores frias e quentes). Abaixo estão alguns exemplos de como esses três fatores podem se misturar em uma mesma referência luminosa:

Lâmpadas incandescentes: Luz quente (alta dissipação de calor), de baixa temperatura de cor (3.000K) produzindo uma cor de temperatura psicológica quente (amarelo);

Lâmpadas incandescentes com filtro azul: Luz quente (alta dissipação de calor), de alta temperatura de cor (supondo entre 4.000 e 5.000K) produzindo uma cor de temperatura psicológica fria (branco-azulado);

Lâmpadas Fluorescentes daylight: Luz fria (baixa radiação de calor), de alta temperatura de cor (5.500K), produzindo uma cor de temperatura psicológica fria (branco-azulado);

Lâmpadas Fluorescentes XX: Luz fria (baixa radiação de calor), de baixa temperatura de cor (4.000K), produzindo uma cor de temperatura psicológica quente (branco-amarelado).

Vejamos abaixo uma tabela com diferentes fontes de luz com suas temperaturas em Kelvin associadas:

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Referências:

[1] Física – Volume Único – Sampaio & Calçada – Ed. Atual
[2] Física Básica – Volume Único – Nicolau / Toledo / Ronaldo
[3] Balanço de Cores
[4] Teoria da Cor: Temperatura da Cor
[5] Quanto mais quente melhor


Veja mais:

Relação entre as Escalas Termométricas
Comportamento Térmico dos Gases Perfeitos
Calor Específico dos Sólidos
Prismas Ópticos

6 comentários:

  1. Oi, Kleber!

    Muito interessante!! Eu não sabia dessa correspondência de temperaturas e cores relativa aos materiais comuns ( ferro ).

    Um abraço.

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  2. Oi, Kleber. Muito legal. Antes de eu aprender a escala Kelvin ficava imaginando quantas vezes mais quente está um corpo que está a 20'C do que outro que está a 0'C (20/0?)...abçs

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  3. Olá Aloísio,
    No meu primeiro emprego no ramo da eletrônica, trabalhei numa empresa que produzia flashes eletrôincos para estúdios fotográficos. Quando estava testando algumas lâmpadas dos flashes, utilizava um aparelho chamado fotômetro, que mede a temperatura da luz. Elas deveriam estar em 5600K, que é a temperatura da luz do Sol. Eu não sabia nada de Física e não sabia o que queria dizer. Quando estavam fora da temperatura ideal, dávamos um banho na lâmpada com um produto que agora não me lembro o nome. Isso causava uma modificação na temperatura da luz emitida.
    Pesquisando sobre este artigo, consegui entender um pouco mais sobre a origem da escala Kelvin. É incrível como aprendemos as coisas incompletamente! Deveria haver uma disciplina nas escolas desdes as primeiras séries como História das Ciências. Isso ajudaria muito a formação cultural de um indivíduo.

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  4. Oi Tavano,
    Como a escala Celsius é relativa, o correto seria converter a tmperatura de °C para K e assim fazer a comparação. No caso de uma temperatura de 20°C, equivale a 293K e 0°C a 273K. Sendo assim, uma temperatura de 20°C está $293/273=1,07326$ vezes mais quente do que a 0°C. Acho que é isso.
    Abraços.

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  5. Olá, Kleber!!!!

    Parabéns, parceiro!!!! A sua postagem será agora, por mim, indicada como... artigo referencial sobre a Escala Kelvin!!!
    Eu que já manjava de certo conhecimento sobre ela, aprendi mais ainda agora com o seu artigo e... imagino que, para quem não entende de KELVINada do assunto, lendo isso aqui, se tornará um mestre!!!!

    Um grande abraço!!!!!

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  6. Valdir, acho que ficou uma postagem boa mas longe de ser referência. Faltaram muitas coisas a respeito, como por exemplo como a física quântica explica que não é possível alcançar o zero absoluto, já que as moléculas nunca chegam a ficar totalmente imóveis.

    Como sabe, é muito difícil fazer uma pesquisa aprofundada sobre um tema, já que leva muito tempo e sempre faltaria alguma coisa, seja por falta de literatura ou falta de conhecimento. Não somos pesquisadores de campo, apenas blogueiros amantes da Matemática e das Ciências que nos faz cada vez buscar informações interessantes para compartilhar em nossos blogs. Eu procuro fazer o melhor que posso, às vezes agrado, às vezes não; às vezes temos muitos comentários, às vezes nenhum. Mas isso faz parte da empreitada.

    Espero que aqueles que leiam este post, possam se benificiar e complementar com outros artigos da internet, ou livros.

    Em relação aos comentários bumerangues, acho que essa definição foi a melhor dada aos comentários de qualidade que recebemos em nossos blogs.

    Um grande abraço!

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