Escalas termométricas

Escalas termométricas são sistemas numéricos usados para medir e comparar temperaturas de forma padronizada. Em outras palavras, elas atribuem valores específicos a fenômenos físicos conhecidos, como o congelamento ou a ebulição da água, criando uma referência universal para quantificar o “quente” e o “frio”.

Nesse contexto, imagine um dia de verão em que o noticiário anuncia: “Hoje a temperatura máxima será de 35 ºC” ou, em um filme estadunidense, alguém comenta que está fazendo 95 ºF. Embora os números sejam diferentes, ambos expressam uma mesma sensação de calor intenso. No nosso dia a dia, usamos principalmente as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, cada uma adequada a contextos distintos.

Leia também: Afinal, o que é temperatura?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre as escalas termométricas
• 2 - O que são escalas termométricas?
• 3 - Quais são as escalas termométricas?
• 4 - Fórmulas das escalas termométricas
  • → Conversão entre as escalas termométricas Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF)
  • → Conversão entre as escalas termométricas Celsius (C) e Kelvin (K)
  • → Conversão entre as escalas termométricas Fahrenheit (F) e Kelvin (K)
• 5 - Exercícios resolvidos sobre escalas termométricas

Resumo sobre as escalas termométricas

• Escalas termométricas são sistemas de referência que atribuem valores numéricos aos estados térmicos de um corpo.
• Elas permitem a comparação de temperaturas.
• Temperatura está relacionada ao grau de agitação das partículas de um material.
• As escalas termométricas utilizam pontos fixos, como os de fusão e ebulição da água, para definir seus valores principais.
• As escalas termométricas mais conhecidas são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin.
• A escala Celsius define 0 ºC para o congelamento da água e 100 ºC para sua ebulição sob pressão normal.
• A escala Fahrenheit define 32 ºF para o congelamento e 212 ºF para a ebulição da água.
• A escala Kelvin tem como base o zero absoluto (0 K), em que o movimento molecular é nulo.
• A escala Kelvin é amplamente utilizada em ciência, enquanto Celsius é comum no cotidiano e Fahrenheit é comum nos Estados Unidos.
• Existem outras escalas menos usadas atualmente, como Réaumur e Rankine.
• As fórmulas matemáticas permitem a conversão entre as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin.
• Para converter Celsius em Fahrenheit: ºF = (9/5 x ºC) + 32.
• Para converter Fahrenheit em Celsius: ºC = 5/9 x (ºF - 32).
• Para converter Celsius em Kelvin: K = ºC + 273,15.
• Para converter Kelvin em Celsius: ºC = K - 273,15.
• Para converter Fahrenheit em Kelvin: K = (5/9 x (ºF - 32)) + 273,15.
• Para converter Kelvin em Fahrenheit: ºF = (9/5 x (K - 273,15)) + 32.

O que são escalas termométricas?

Escalas termométricas são sistemas de referência que atribuem valores numéricos a determinados estados térmicos de um corpo, permitindo comparar temperaturas de forma prática e precisa. Nesse contexto, é preciso entender que a temperatura é uma grandeza física relacionada ao grau de agitação das partículas de um corpo.

Para medir essa grandeza, utilizamos instrumentos como o termômetro, que, ao registrar a dilatação de líquidos ou a variação de propriedades físicas, associa a indicação do aparelho a uma escala numérica previamente estabelecida, conforme é mostrado na imagem abaixo.

Sendo assim, cada escala determina dois pontos fixos fundamentais, geralmente associados a fenômenos naturais bem definidos, como os pontos de fusão e de ebulição da água. Após a definição desses pontos, cria-se uma divisão numérica que organiza os valores intermediários de maneira linear ou proporcional, com o propósito de medir a temperatura de forma padronizada e compreensível em diferentes contextos.

Quais são as escalas termométricas?

As escalas termométricas mais conhecidas são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Embora apresentem objetivos semelhantes, essas escalas diferem na escolha dos pontos de referência e na maneira como distribuem os intervalos entre eles.

• Escala Celsius: também chamada de centígrada, é muito empregada na maioria dos países, sobretudo em medições do cotidiano, como a previsão do tempo e aplicações laboratoriais. Nela, o ponto de fusão da água é definido como 0 °C e o de ebulição como 100 °C, sob pressão atmosférica normal.
• Escala Fahrenheit: é bastante utilizada nos Estados Unidos e em alguns outros locais. Segundo essa escala, o congelamento da água ocorre em 32 ºF e sua ebulição em 212 ºF, o que resulta em uma divisão distinta dos intervalos térmicos.
• Escala Kelvin: é empregada principalmente na ciência, sobretudo na Física e na Química. Adotada pelo Sistema Internacional de Medidas (SI), é baseada no conceito de zero absoluto (a temperatura mais baixa teoricamente possível), em que o movimento molecular cessa, sendo fixada em 0 K. Assim, também a variação de temperatura na escala Kelvin é diretamente proporcional à da escala Celsius, mas sem valores negativos.

Podemos resumi-las da seguinte forma:

Fórmulas das escalas termométricas

As fórmulas das escalas termométricas permitem a conversão de uma escala para outra.  De modo que, para as mais comuns (Celsius, Fahrenheit e Kelvin), utilizamos relações matemáticas diretas baseadas na definição de cada uma delas. Em vista disso, essas fórmulas permitem, de maneira prática, transformar a temperatura de uma escala para outra, mantendo a equivalência térmica.

→ Conversão entre as escalas termométricas Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF)

\(^\circ\!F = \left( \frac{9}{5} \times ^\circ\!C \right) + 32 \)

Essa relação indica que cada grau Celsius corresponde a 9/5 de grau Fahrenheit, além de um

acréscimo de 32 unidades.

• Exemplo:

Suponha que a temperatura ambiente seja de 25 ºC e você queira convertê-la para a escala

Fahrenheit. Utilizando a fórmula, temos:

\(^\circ\!F = \left( \frac{9}{5} \times 25 \right) + 32 \\\)

\(^\circ\!F = 45 + 32 \\\)

\(^\circ\!F = 77\,^\circ\!F\)

Portanto, 25 ºC correspondem a 77 ºF.

Agora, imagine o contrário: você sabe que a temperatura é 77 ºF e deseja encontrar o valor em Celsius.

Usamos a fórmula inversa:

\(^\circ\!C = \frac{5}{9} \times (^\circ\!F - 32)\)

Ou seja, subtrai-se 32 de Fahrenheit e, em seguida, multiplica-se o resultado por 5/9; logo:

\(^\circ\!C = \frac{5}{9} \times (77 - 32)\)

\(^\circ\!C = \frac{5}{9} \times 45\)

\(^\circ\!C = 25\,^\circ\!C\)

Assim, 77 ºF equivalem a 25 °C.

→ Conversão entre as escalas termométricas Celsius (C) e Kelvin (K)

Para converter entre Celsius e Kelvin (K), a relação é ainda mais simples:

K = ºC + 273,15

Isso porque o zero absoluto, correspondente a 0 K, é igual a -273,15 °C. De modo semelhante, para ir de Kelvin para Celsius, basta aplicar:

ºC = K - 273,15

• Exemplo:

Imagine que a temperatura de um laboratório é de 30 ºC e você precisa convertê-la para a escala Kelvin. Usando a relação: K = °C + 273,15, temos:

K = 30 + 273,15

K = 303,15 K

Portanto, 30 ºC correspondem a 303,15 K.

Agora, pense que a temperatura registrada foi de 290 K e você precisa convertê-la para Celsius. Nesse caso aplicamos a fórmula inversa:

ºC = K - 273,15.

ºC = 290 - 273,15

ºC = 16,85 ºC

Dessa maneira, 290 K equivalem a aproximadamente 16,85 ºC.

→ Conversão entre as escalas termométricas Fahrenheit (F) e Kelvin (K)

Enquanto isso, para converter Fahrenheit diretamente para Kelvin, utiliza-se a fórmula:

\(K = \left( \frac{5}{9} \times (^\circ\!F - 32) \right) + 273{,}15 \)

E, de maneira inversa, de Kelvin para Fahrenheit:

\(^\circ\!F = \left( \frac{9}{5} \times (K - 273{,}15) \right) + 32 \)

• Exemplo:

Imagine que a temperatura registrada em uma cidade dos Estados Unidos foi de 68 ºF e você deseja convertê-la diretamente para Kelvin. Utilizamos a fórmula:

\(K = \left( \frac{5}{9} \times (^\circ\!F - 32) \right) + 273{,}15 \\ K = \left( \frac{5}{9} \times (68 - 32) \right) + 273{,}15 \\ K = \left( \frac{5}{9} \times 36 \right) + 273{,}15 \\ K = 20 + 273{,}15 \\ K = 293{,}15\,\text{K}\)

Por outro lado, caso a temperatura seja dada como 310 K e seja preciso convertê-la para Fahrenheit, aplicamos a fórmula inversa:

\(^\circ\!F = \left( \frac{9}{5} \times (K - 273{,}15) \right) + 32 \\ ^\circ\!F = \left( \frac{9}{5} \times (310 - 273{,}15) \right) + 32 \\ ^\circ\!F = \left( \frac{9}{5} \times 36{,}85 \right) + 32 \\ ^\circ\!F = 66{,}33 + 32 \\ ^\circ\!F = 98{,}33\,^\circ\!F\)

Acesse também: Qual é a relação entre calor e temperatura?

Exercícios resolvidos sobre escalas termométricas

Questão 1

(Unicentro) Após o aquecimento de uma barra metálica observou-se que sua temperatura média era de 250 °C. Esta mesma temperatura na escala Fahrenheit vale:

A) 282 ºF.

B) 418 ºF.

C) 482 ºF.

D) 523 ºF.

Resolução:

Alternativa C.

Para converter a temperatura de 250 ºC para a escala Fahrenheit (ºF), utilizamos a fórmula de conversão entre essas escalas:

\(^\circ\!F = \left( \frac{9}{5} \times ^\circ\!C \right) + 32 \)

Sendo assim, basta substituir o valor de ºC na fórmula:

\(^\circ\!F = \left( \frac{9}{5} \times ^\circ\ 250 \right) + 32 \)

Efetuar o cálculo:

ºF = (1,8  x 250) + 32

ºF = 450 + 32

ºF = 482

Portanto, 250 ºC = 482 ºF

Questão 2

(FAG) Em um determinado dia, a temperatura mínima em Cascavel foi de 15 °C e a máxima de 27 °C. A diferença entre essas temperaturas, na escala kelvin, é de

A) 12.

B) 21.

C) 263.

D) 285.

E) 55.

Resolução:

Alternativa A.

Primeiro, é importante destacar que a escala Kelvin é uma escala absoluta relacionada à escala Celsius pela fórmula: K = ºC + 273,15 K; logo, a variação de temperatura é a mesma nas duas escalas, pois elas têm a mesma magnitude de unidade. Portanto, a diferença em Kelvin é igual à diferença em Celsius. Sendo assim, vamos primeiro calcular a diferença em Celsius:

ΔT = T_máxima - T_mínima = 27 ºC - 15 ºC = 12 °C

Agora, basta converter a diferença para Kelvin: 12 ºC = 12 K

Fontes

BROWN, T. et al. Temperatura. In: Química: A Ciência Central. 13. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil., 2016. p. 16–18.

CHANG, R.; GOLDSBY, K. A. Temperatura. In: Química. 11. ed. Porto Alegre: AMGH Editora, 2013. p. 19-22.

TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Temperatura. In: Física para Cientistas e Engenheiros. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 1, p. 501-504.