Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro sentiam dificuldades para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis. Essa dificuldade fez com que se buscasse pontos nos quais se pudesse reproduzir de forma definida os valores medidos. Muitas escalas baseadas em pontos diferentes foram desenvolvidas ao longo do tempo. Dentre elas as mais importantes foram a Fahreinheit, a Clesius, a Rankine e a Kelvin.
A escala Fahreinheit é, ainda, utilizada nos Estados Unidos e em parte da Europa. Porém, a tendência é de se usar exclusivamente nos processos industriais de todo o mundo a escala Celsius.
A escala Rankine e a escala Kelvin, que são as escalas absolutas, são mais usadas nos meios científicos, sendo que atualmente usa-se quase que exclusivamente a escala Kelvin.
3.1 - Escala Celsius
A escala Celsius é definida como sendo o intervalo de temperatura unitário igual a 1 Kelvin, numa escala de temperatura em que o ponto 0 (zero) coincida com 273,15 K.
A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo “ºC” colocado após o número; exemplo: 245,36ºC.
A escala Celsius tem como valor 0 (zero) o ponto de fusão de gelo e como valor 100 o ponto de ebulição da água sendo estes pontos tomados na condição de pressão igual a 1 atm.
É uma escala relativa obtida através da escala Kelvin, sendo esta relação definida pela equação. t = T - To Onde: t = temperatura em ºC T = temperatura em K To = 273,15 K
3.2 - Escala Fahreinheit
A escala Fahreinheit é definida como sendo o intervalo de temperatura unitário igual a 1 grau Rankine, numa escala em que o ponto zero coincide com 459,67º R. A identificação de uma temperatura na escala Fahreinheit é feita com o símbolo “ºF” colocado após o número; exemplo: 23,40ºF.
A escala Fahreinheit tem como ponto de fusão do gelo o valor 32 e como ponto de ebulição da água o valor 212, sendo estes pontos tomados na condição de pressão igual a 1 atm. Esta escala é também relativa, obtida pela escala Rankine conforme a relação definida pela equação abaixo: tf = T’ - T’o Onde: tf = temperatura em ºF T’ = temperatura em ºR T’o = 459,67 ºR
3.3 - Escala Kelvin (Temperatura Termodinâmica)
A temperatura básica é a temperatura termodinâmica (T), cuja unidade é o Kelvin (K), que é uma escala absoluta.
O Kelvin é a fração 1/273,16 temperatura termodinâmica do ponto triplo da água.
Nota-se que, de acordo com a definição acima e a equação (t = T - 273,15 K), o ponto triplo da água ocorre à 0,01ºC (à pressão de 61,652 Pa).
K = 273,15 + ºC
Observação:
Ponto triplo é o ponto em que as fases sólida, líquida e gasosa encontram-se em equilíbrio, (fig. 01).
Fig. 01 - Diagrama pressão-temperatura para mudança de estado físico da água 3.4 - Escala Rankine
Assim como a escala Kelvin, a escala Rankine é uma escala absoluta, tendo como zero absoluto, o valor 0 (zero), porém ao ponto de fusão e ao ponto de ebulição da água foram dados os valores de 491,67 e 671,67, respectivamente.
3.5 - Conversão de Escalas
A figura abaixo compara as principais escalas de temperatura.
Fig. 02 - Comparação entre as escalas de temperatura
Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas, colocando em um mesmo ambiente quatro termômetros: um Celsius, um Fahreinheit, um Kelvin e um Rankine.
As diferentes leituras representam, em escalas diversas, uma mesma temperatura.
A equação abaixo, nos permite relacionar a leitura de uma escala para outra, de uma mesma temperatura.
9
67
,
491
5
15
,
273
9
32
5
−
=
−
=
−
=
F
K
R
C
3.6 - Escala Internacional de Temperatura
Em 1968, o Comitê Internacional de Pesos e Medidas adotou uma Escala Internacional de temperatura revista, a IPTS-68, que é descrita a seguir. Essa escala, semelhante às anteriores, de 1927 e 1948, teve sua faixa aumentada e se aproxima ainda mais da escala termodinâmica de temperatura. Baseia-se em alguns pontos fixos facilmente reprodutíveis, que recebem valores numéricos de temperatura definidos e em certas fórmulas que relacionam as temperaturas às leituras de determinados instrumentos de medição de temperatura, para fins de interpolação entre os pontos fixos.
Os pontos fixos principais e em resumo das técnicas de interpolação são dados a seguir:
Principais Pontos Fixos T (ºC)
1) Ponto triplo (equilíbrio entre fases sólida, líquida e vapor) do hidrogênio - 259,34 2) Ponto de vaporização (equilíbrio entre fases líquida e vapor) do hidrogênio
à pressão de 250 mmHg - 256,108
3) Ponto de vaporização normal (pressão de 1 atm) do hidrogênio - 252,87
4) Ponto de vaporização normal de neon - 246,048
5) Ponto triplo do oxigênio - 218,789
6) Ponto de vaporização normal do oxigênio - 182,962
7) Ponto triplo da água 0,01
8) Ponto de vaporização normal da água 100
9) Ponto de solidificação normal (equilíbrio entre as fases sólida e líquida à
pressão de 1 atm) do zinco 419,58
10) Ponto de solidificação normal da prata 961,93
11) Ponto de solidificação normal do ouro 1.064,43
Os meios disponíveis para medição e interpolação levam à divisão da escala de temperatura em quatro faixas:
1) A faixa de - 259,34 ºC - é baseada nas medições com um termômetro de resistência de platina. Essa faixa é subdividida em 4 partes. Em cada uma, a diferença entre as razões das resistências medidas de um termômetro particular e a função de referência nos pontos fixos é usada para determinar as constantes numa equação de interpolação polinominal especificada.
2) A faixa de 0º a 630,74 ºC - (ponto normal de solidificação do antimônio, que é um ponto fixo secundário) também é baseada num termômetro de resistência de platina, com as
constantes numa equação de interpolação polinominal determinadas por calibração nos 3 pontos fixos da faixa.
3) A faixa de 630,74 ºC a 1.064,43 ºC - é baseada em medições de um termopar padrão de platina e platina rhodio e uma equação de 3 termos que expressa a força eletromotriz como função de temperatura. As constantes são determinadas por uma medição com um termômetro de resistência de platina no ponto da solidificação do antimônio e por calibração nos dois pontos fixos principais da faixa.
4) A faixa acima de 1.064,43 ºC - é baseada em medições de intensidade da radiação no espectro visível, comparada com aquela de mesmo comprimento de onda no ponto de fusão do outro e na equação de Planck para radiação do corpo negro, (através do pirômetro óptico).
Existem várias equações que relacionam a temperatura e a propriedade termométrica utilizada nestes instrumentos (resistência elétrica, FEM termoelétrica e energia radiante). Através do uso destas equações pode-se determinar com precisão a temperatura em que se encontra um determinado corpo de prova.
Esta escala de temperatura é transferida para outros instrumentos de utilização mais simples, mantendo-se o erro dentro de faixas bastante estreitas.
Em princípio, de uma forma indireta, todo termômetro usado, na prática, tem a sua calibração relacionada à escala internacional de temperatura.
3.7 - Exercícios de Conversão
1) Um termômetro calibrado em Kelvin é instalado em um tanque. Sua escala indica 335K. Determinar esta temperatura em ºR.
Solução: T (ºR) = 9 5 T (K) T (ºR) = 9 5 (335K) T (ºR) = 603 ºR
2) Exprimir a temperatura do ponto triplo do oxigênio (dado em ºC) em: a) K; b) ºF; c) ºR
T (K) = - 218,789 + 273,15 T (K) = 54,361 K b) T (ºF) = 9 5 T (ºC) + 32 T (ºF) = 9 5 (- 218,789) + 32 T (ºF) = - 361,82 ºF c) T (ºR) = 9 5 x T T (ºR) = 9 5 x (T (ºC) + 273,15) T (ºR) = 9 5 x (- 218,789 + 273,15) T (ºR) = 9 5 x (54,361) T (ºR) = 97,8498 ºR