Temperatura e escalas termométricas: Celsius, Fahrenheit e Kelvin

Componente curricular: Física — 2º ano do Ensino Médio
Área: Termologia
Tema: Temperatura e escalas termométricas

1. O que é temperatura?

Quando dizemos que um café está quente, que a água de uma piscina está fria ou que uma pessoa está com febre, estamos descrevendo o estado térmico de um corpo. A grandeza física usada para quantificar esse estado é a temperatura.

Em uma interpretação microscópica, a temperatura está relacionada ao grau de agitação das partículas que formam um sistema. Em geral, quanto maior a temperatura, maior é a energia associada ao movimento desordenado dessas partículas. Essa ideia é útil, mas devemos ter cuidado: a temperatura não é simplesmente “a quantidade de calor” de um corpo.

Um objeto pequeno e muito quente pode ter menos energia térmica total do que uma grande quantidade de água morna. Por isso, temperatura e energia térmica são conceitos diferentes.

Temperatura, calor e sensação térmica

• Temperatura: indica o estado térmico de um corpo.
• Calor: é a energia transferida entre corpos por causa de uma diferença de temperatura.
• Sensação térmica: é a percepção do corpo humano, influenciada por fatores como vento, umidade, roupas e contato com materiais.

Se dois corpos estão em contato e possuem temperaturas diferentes, há transferência de energia térmica do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Essa transferência ocorre até que eles atinjam o equilíbrio térmico, situação em que passam a ter a mesma temperatura.

Essa abordagem está relacionada às competências da BNCC que propõem analisar transformações de energia e prever o comportamento de sistemas térmicos em situações cotidianas e tecnológicas.

2. Como funciona um termômetro?

Um termômetro é um instrumento que permite medir a temperatura por meio de uma propriedade física que varia de maneira previsível com o aquecimento ou o resfriamento. Essa propriedade é chamada de propriedade termométrica.

Em um termômetro tradicional de líquido, por exemplo, o volume do líquido varia com a temperatura. Em termômetros digitais, sensores elétricos alteram alguma característica elétrica, como a resistência, quando a temperatura muda.

Para construir uma escala termométrica, é necessário:

1. Escolher uma propriedade que varie com a temperatura.
2. Definir pontos de referência.
3. Dividir o intervalo entre esses pontos em partes iguais ou estabelecer uma relação matemática.

As escalas mais estudadas no Ensino Médio são Celsius, Fahrenheit e Kelvin.

3. Escala Celsius

A escala Celsius é a mais utilizada no Brasil em previsões do tempo, termômetros clínicos e muitas situações escolares. Em sua referência tradicional, a água congela a 0 °C e entra em ebulição a aproximadamente 100 °C, sob pressão atmosférica normal ao nível do mar.

O intervalo entre esses dois valores é dividido em 100 partes iguais. Assim, uma variação de 1 °C corresponde a uma variação de 1 grau Celsius.

É importante observar que os pontos de ebulição e congelamento da água dependem da pressão. Em locais de grande altitude, por exemplo, a água pode ferver a uma temperatura inferior a 100 °C. Portanto, os valores de referência devem ser entendidos dentro das condições apropriadas.

4. Escala Fahrenheit

A escala Fahrenheit é usada principalmente nos Estados Unidos e em alguns outros países. Nela, a água congela a 32 °F e ferve a 212 °F, aproximadamente, sob pressão atmosférica normal.

O intervalo entre 32 °F e 212 °F possui 180 divisões. Por isso, uma variação de 1 °C corresponde a uma variação de 1,8 °F.

5. Escala Kelvin

O kelvin é a unidade do Sistema Internacional para a temperatura termodinâmica. Seu símbolo é K, sem o símbolo de grau: escrevemos 300 K, e não 300 °K.

A escala Kelvin começa no zero absoluto, que corresponde ao limite inferior da temperatura termodinâmica. A relação entre Celsius e Kelvin é:

T = θ + 273,15

Em que:

• T é a temperatura em kelvins;
• θ é a temperatura em graus Celsius.

Assim:

• 0 °C = 273,15 K;
• 25 °C = 298,15 K;
• −273,15 °C = 0 K.

Uma diferença de temperatura de 1 K tem o mesmo tamanho que uma diferença de 1 °C. Portanto, para variações de temperatura:

ΔT = Δθ

Por exemplo, aumentar de 20 °C para 50 °C corresponde a uma variação de 30 °C, que também equivale a 30 K.

6. Relações entre as escalas

As conversões exatas entre as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin são:

Conversão	Equação
Celsius para Fahrenheit	°F = 1,8 · °C + 32
Fahrenheit para Celsius	°C = (°F − 32) ÷ 1,8
Celsius para Kelvin	K = °C + 273,15
Kelvin para Celsius	°C = K − 273,15
Fahrenheit para Kelvin	K = (°F − 32) ÷ 1,8 + 273,15
Kelvin para Fahrenheit	°F = 1,8 · (K − 273,15) + 32

Relação por proporcionalidade

Também podemos comparar as escalas usando seus pontos correspondentes:

(θ_C − 0) ÷ (100 − 0) = (θ_F − 32) ÷ (212 − 32)

Como 212 − 32 = 180, obtemos:

θ_C ÷ 100 = (θ_F − 32) ÷ 180

Essa forma é especialmente útil em problemas que apresentam uma escala desconhecida ou pontos de calibração diferentes.

7. Exemplo resolvido

Problema

Uma cidade registrou temperatura de 35 °C durante a tarde. Determine essa temperatura nas escalas Fahrenheit e Kelvin.

Resolução

Conversão para Fahrenheit:

°F = 1,8 · °C + 32

°F = 1,8 · 35 + 32

°F = 63 + 32

°F = 95 °F

Conversão para Kelvin:

K = °C + 273,15

K = 35 + 273,15

K = 308,15 K

Logo, 35 °C = 95 °F = 308,15 K.

8. Exemplo cotidiano: previsão do tempo

Imagine que um aplicativo mostre 68 °F para uma cidade dos Estados Unidos. Para interpretar esse valor em Celsius:

°C = (68 − 32) ÷ 1,8

°C = 36 ÷ 1,8

°C = 20 °C

Portanto, 68 °F corresponde a uma temperatura amena de 20 °C.

9. Escala termométrica genérica

Considere uma escala hipotética X. Nessa escala, a temperatura de congelamento da água corresponde a 20 °X e a de ebulição corresponde a 170 °X. Qual seria a leitura na escala X para 50 °C?

Como 0 °C corresponde a 20 °X e 100 °C corresponde a 170 °X:

(X − 20) ÷ (170 − 20) = (C − 0) ÷ 100

Substituindo C = 50:

(X − 20) ÷ 150 = 50 ÷ 100

X − 20 = 75

X = 95 °X

10. Erros comuns

• Escrever “graus Kelvin”. O correto é apenas kelvins ou o símbolo K.
• Usar K = °C − 273,15. A relação correta é K = °C + 273,15.
• Aplicar °F = 1,8 · °C, esquecendo o termo +32.
• Confundir temperatura com calor.
• Esquecer que a temperatura de ebulição da água depende da pressão atmosférica.
• Tratar −10 °C como “10 graus abaixo do zero absoluto”. O zero absoluto está em −273,15 °C.

11. Atividade segura de observação

Use três recipientes com água: um com água em temperatura ambiente, um com água levemente aquecida e outro com água resfriada. Não use água fervente, chama ou rede elétrica.

1. Coloque uma das mãos na água resfriada e a outra na água levemente aquecida por alguns segundos.
2. Depois, coloque as duas mãos na água em temperatura ambiente.
3. Compare as sensações percebidas.

A mão que estava na água fria tende a perceber a água ambiente como mais quente; a mão que estava na água aquecida tende a percebê-la como mais fria. A atividade mostra que a sensação térmica não é uma medida confiável de temperatura. Para medir, precisamos de um instrumento calibrado.

12. Exercícios autorais

1. Converta 27 °C para Fahrenheit e Kelvin.
2. Uma temperatura de 14 °F foi registrada durante a madrugada. Determine o valor aproximado em Celsius.
3. Um laboratório trabalha a 310 K. Qual é essa temperatura em graus Celsius?
4. Explique por que uma variação de 15 °C corresponde a uma variação de 15 K, mas 15 °C não corresponde a 15 K como temperatura absoluta.
5. Em uma escala Y, 0 °C corresponde a 10 °Y e 100 °C corresponde a 210 °Y. Determine a indicação dessa escala para 40 °C.

Gabarito

1. °F = 1,8 · 27 + 32 = 80,6 °F; K = 27 + 273,15 = 300,15 K.
2. °C = (14 − 32) ÷ 1,8 = −10 °C.
3. °C = 310 − 273,15 = 36,85 °C, aproximadamente 36,9 °C.
4. Porque o tamanho do intervalo é igual: 1 K = 1 °C de variação. Porém, as origens das escalas são diferentes: 0 K corresponde a −273,15 °C.
5. (Y − 10) ÷ 200 = 40 ÷ 100; Y − 10 = 80; portanto, Y = 90 °Y.

13. Perguntas frequentes

Por que não existe temperatura negativa em kelvins?

Na descrição introdutória da termodinâmica, a escala Kelvin começa no zero absoluto. Assim, temperaturas abaixo de 0 K não fazem parte da escala usual de temperatura termodinâmica estudada no Ensino Médio.

25 °C é igual a 25 K?

Não. 25 °C corresponde a 298,15 K. O número 25 só pode ser comparado diretamente quando estamos falando de variações: uma variação de 25 °C equivale a uma variação de 25 K.

O termômetro mede calor?

Não. O termômetro mede temperatura. Calor é energia em trânsito entre sistemas que apresentam diferença de temperatura.

Por que a água ferve a temperaturas diferentes em lugares diferentes?

Porque a ebulição depende da pressão externa. Em regiões mais altas, a pressão atmosférica costuma ser menor, reduzindo a temperatura de ebulição da água.

Qual escala é usada no Sistema Internacional?

A unidade de temperatura termodinâmica do Sistema Internacional é o kelvin, símbolo K. A escala Celsius também é aceita para expressar temperaturas de uso cotidiano e possui o mesmo tamanho de intervalo que a escala Kelvin.

14. Mini-quiz

1. Qual é a unidade SI de temperatura?

   Resposta

   Kelvin, símbolo K.

2. Quantos kelvins correspondem a 0 °C?

   Resposta

   273,15 K.

3. Qual é a fórmula para converter Celsius em Fahrenheit?

   Resposta

   °F = 1,8 · °C + 32.

4. Uma diferença de 10 °C equivale a quantos kelvins?

   Resposta

   A uma diferença de 10 K.

5. Calor e temperatura são a mesma coisa?

   Resposta

   Não. Temperatura caracteriza o estado térmico; calor é energia transferida devido a uma diferença de temperatura.

O que estudar depois?

• Estude dilatação térmica e observe como sólidos, líquidos e gases respondem ao aquecimento.
• Avance para calorimetria, aprendendo a calcular calor sensível, calor latente e equilíbrio térmico.
• Depois, investigue as leis da Termodinâmica e o funcionamento de máquinas térmicas, refrigeradores e motores.

Resumo: temperatura é uma grandeza que descreve o estado térmico de um sistema. As escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin usam referências e origens diferentes, mas podem ser relacionadas por equações matemáticas. No Sistema Internacional, a unidade é o kelvin, e uma variação de 1 K possui o mesmo tamanho que uma variação de 1 °C.

Referências para estudo

Conteúdo conferido com referências institucionais e educacionais.

• Base Nacional Comum Curricular — Ciências da Natureza e suas Tecnologias, Ministério da Educação
• SI Units – Temperature, National Institute of Standards and Technology
• Thermodynamic temperature, Bureau International des Poids et Mesures
• Kelvin: Introduction, National Institute of Standards and Technology
• NIST Guide to the SI — Appendix B.9: Conversion factors

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