Teoricamente, qualquer propriedade de qualquer substância que varie com a temperatura pode ser encarada como termométrica.
De um ponto de vista prático há, porém, que ter em atenção determinados requisitos para que o dispositivo de medida possa ser olhado como um termómetro. Essas condições são perfeitamente evidentes e justificam-se por si próprias. Um termómetro deve:
- ser exato;
- ser reprodutível;
- atingir o equilíbrio térmico com rapidez;
- ser sensível (isto é, a propriedade termométrica deve variar bastante com a temperatura).
Estes factores podem ser conjugados de forma a que se possa atingir com segurança os objectivos que se têm em vista ao medir a temperatura. Há portanto que escolher, de forma criteriosa, o dispositivo a usar para uma dada finalidade. Existe hoje uma vasta gama de termómetros para todos os fins e exigências.
Termómetro de Gases
Os termómetros de gases, que permitem medir a temperatura directamente na escala Kelvin, são raramente utilizados na prática, pois a sua construção e manuseamento não são fáceis e, por outro lado, são lentos a atingir o equilíbrio térmico. No entanto, pelo facto de serem absolutos e de oferecerem uma elevada exactidão, reprodutibilidade e sensibilidade, são usados para calibrar outros tipos de termómetros, principalmente a baixas temperaturas. Atende-se na figura 1, que representa um termómetro de gás a volume constante. No bolbo do lado esquerdo, imerso num banho cuja temperatura se pretende determinar, encontra-se um gás a baixa pressão, a qual é medida através do desnível do tubo de mercúrio nos ramos do manómetro. O volume do bolbo e dos tubos de ligação ao manómetro é mantido constante fazendo subir ou descer o reservatório de mercúrio R.
Fig. 1: Termómetro de Gases
Quanto maior for T do banho, maior será o desnível no manómetro. A leitura da pressão inicial dará um valor pa. Se se retirar uma dada quantidade de gás contido no bolbo, a leitura da pressão será pb, tal que pb < pa. Se se utilizar um banho de água à temperatura normal de ebulição (373,15K), repetindo esta operação várias vezes, pode construir-se um gráfico onde se representa 273,16 p / p3 em função da pressão p (ver equação 5 da parte da escala Kelvin, do artigo Escalas de Temperatura). Para se obter o valor verdadeiro da temperatura, basta extrapolar para a pressão nula o valor de T tirado desse gráfico, o que equivale a considerar o modelo do gás perfeito.
Termómetros de expansão
Os termómetros de expansão fazem uso da dilatação das substâncias como propriedade termométrica. O exemplo mais comum é o termómetro de mercúrio, onde a altura da coluna de líquido aumenta quando a temperatura cresce. Para determinar uma temperatura basta realizar uma leitura de volume, a pressão constante, e usar uma equação de estado como a dos gases perfeitos.
Embora aparentemente simples, a medição da temperatura com o termómetro de mercúrio requer imensas precauções. Os termómetros de mercúrio são instrumentos de medida primários (ver a definição em Escalas de Temperatura) e como tal calibram-se por transferência de outros padrões, que podem ser primários.
Os termómetros de mercúrio podem ser de vários tipos, sendo especialmente desenhados para as seguintes condições de calibração:
- Imersão vertical do bolbo e da haste até ao cimo da coluna de mercúrio – imersão total.
- Imersão vertical do bolbo e da haste até à linha de imersão marcada no termómetro – imersão parcial.
- Imersão vertical de todo o termómetro – imersão completa.
Os termómetros de imersão total são os mais rigorosos e são os recomendados sempre que possível; os de imersão completa são os menos comuns.
A calibração dos termómetros de imersão total é feita com o termómetro imerso no banho até ao nível do mercúrio. Porém, quando mais tarde o mesmo termómetro é utilizado, este pode apresentar uma parte da coluna de mercúrio emersa, o que provoca um gradiente de temperatura na coluna de líquido e no vidro, daí ser necessário proceder a uma correcção do valor lido, t1, o que se faz recorrendo à expressão aproximada:
∆t = kn (t – ts) (1)
onde ∆t é a quantidade (em ºC) que se deve adicionar a t1, t é a temperatura do bolbo do termómetro (normalmente faz-se t = t1), ts é a temperatura da parte emersa do termómetro, n é o número de graus da coluna emersa do termómetro e k = 1,610-4 / ºC é o coeficiente de expansão cúbica diferencial do mercúrio em relação ao vidro.
Apesar de os termómetros de mercúrio serem em geral instrumentos de exactidão apenas moderada, podem atingir exactidões elevadas (por exemplo, 0,01ºC, com um termómetro de centésimas), desde que tenham sido convenientemente calibrados e sejam utilizados em condições adequadas. Embora, teoricamente, pode-se aumentar a ecxatidão de um termómetro de mercúrio, na prática, verifica-se que a sensibilidade não pode ir além de 10 cm por grau.
Existem outros termómetros de expansão, os quais utilizam líquidos orgânicos, como etanol, tolueno ou pentano, em vez do mercúrio, o que permite medir temperaturas menores do que a do ponto de fusão normal do mercúrio.
No entanto são múltiplas as desvantagens da sua utilização. Por exemplo, quando se arrefece um destes termómetros, deve-se garantir um arrefecimento lento pois, de outro modo, o vapor vai condensando nas paredes do capilar, não acompanhando a descida da coluna de líquido. Por outro lado, a não-linearidade da escala é muito mais marcante que no caso do mercúrio.
Não havendo grandes exigências, a substituição do mercúrio por líquidos orgânicos oferece a possibilidade de medir temperaturas até -200ºC (caso do pentano).
Termómetros de resistência
Incluem-se nesta classe de termómetros os dispositivos que utilizam a resistência eléctrica como propriedade termométrica.
Os termómetros de resistência de platina (PRT) são talvez os dispositivos mais frequentemente aplicados em medidas que requerem grande exactidão e grande reprodutibilidade. Existe uma vasta gama de PRTs, sendo os SPRT (standard platinum resistance thermometer) os que servem para materializar a ITS-90 numa gama larga de temperaturas (de 13,8033 a 1234,93 K), com incertezas da ordem do milikelvin. Os PRT são constituídos por um fio de platina bastante fino (0,05 a 0,20 mm de diâmetro), o qual é nalguns casos enrolado em espiral numa armação de mica. Para protecção encerra-se o conjunto num tubo de prata ou vidro de paredes finas. Existem algumas variantes e modificações para diversos fins (e.g. para valores de temperatura de 700ºC utiliza-se quartzo em vez de mica).
A utilização destes termómetros para valores de temperatura superiores a 100 K pode ser feita usando as equações de interpolação de Callendar e Callendar – Van Dusen:
Rt = R0 (1+ αt + βt2) (2)
Rt = R0 [1+ αt + βt2 +δ(t – 100)t3] (3)
onde Rt é a resistência à temperatura t / ºC, R0 é a resistência a 0 ºC, e α, β e δ são constantes, determinadas com auxílio de medidas em pontos fixos ou por ajuste, aplicando o método dos domínios quadrados a pontos de calibração.
O principal senão dos PRTs é o pequeno coeficiente de variação da resistência com a temperatura que a platina apresenta: cerca de 0,4% por kelvin.
Um termopar é também um dispositivo de medição de temperatura. É um sistema que funciona segundo o efeito de Seebeck: se se ligarem dois condutores diferentes, A e B, de forma a constituírem um circuito, e se as duas soldaduras A/B e B/A estiverem a temperaturas distintas, t1 e t0, verifica-se a passagem de corrente eléctrica no circuito e o valor da força electromotriz é uma medida de diferença (t1 – t0).
Se t1 for a temperatura que se deseja medir, é necessário conhecer t0. Por isso, na prática, é hábito introduzir-se a junção de referência (t0) num banho de temperatura conhecida e constante.
Talvez a grande vantagem do termopar consista na rapidez com que se atinge o equilíbrio térmico entre a junção teste (referência) e o sistema cuja temperatura se pretende conhecer. Não pode, contudo, comparar-se um termopar com os termómetros de resistência de platina. O termopar é menos exacto por duas razões: primeiro é difícil manter constante a temperatura do banho da junção de teste por períodos longos de tempo; em segundo lugar, as variações da f.e.m. (força electromotriz) são pequenas e, para grande resolução, é necessário usar instrumentos de medida de alta sensibilidade.
A principal aplicação dos termopares situa-se na medida de altas temperaturas (até cerca de 1700 ºC).
A utilização prática dos termopares requer que os termopares sigam uma relação conhecida, com uma tolerância aceitável, entre a f.e.m. e a temperatura.
Pirómetros ópticos
Quando se pretende medir uma temperatura muito elevada, pode surgir o problema da destruição do instrumento de medida. Em certos casos é pois necessário que a medida possa ser efectuada sem que haja contacto físico entre o sistema e o instrumento. Este é o caso da termometria de radiação, em que a técnica de medida da temperatura faz uso da radiação emitida termicamente por qualquer corpo.
A teoria quântica da radiação, aplicada a sistemas ideais chamados de corpos negros perfeitos conduz à relação entre a intensidade de radiação espectral (dIλ) ou radiância (Lλdλ), a um comprimento de onda λ ( no intervalo λ + dλ), e a temperatura T, em kelvin:
dIλ = Lλdλ = (c1 / π )λ-5 [exp (c2 / λT) – 1]-1 dλ (4)
onde c1 e c2 são constantes. Esta é a lei de Planck da radiação. O valor de c2 é 1,438810-2 m.K e, quando o produto λT é inferior a 3×10-3 m.K, a equação 4 pode ser simplificada para a lei de Wien,
Lλdλ = (c1 / π )λ-5 exp(–c2 / λT) dλ (5)
sem conduzir a incertezas na temperatura maiores que 1%.
Qualquer uma das equações anteriores fundamenta a utilização do pirómetro óptico, cujo esquema é mostrado na figura 2.
Fig. 2: Esquema de um Pirómetro Óptico
O dispositivo é essencialmente constituído por um telescópio, no qual se encontra montado um filtro (que selecciona λ) e uma lâmpada de intensidade regulável. Quando o pirómetro é dirigido para o corpo cuja temperatura se quer medir, o observador verifica uma diferença de tonalidade entre o filamento escuro da lâmpada e o fundo brilhante da fonte emissora. Procura-se então levar o filamento à mesma tonalidade do fundo, variando a intensidade da corrente com auxílio do reóstato.
Uma das principais fontes de erro deste método consiste em que as leis mencionadas são apenas válidas para corpos negros perfeitos, isto é, para corpos que absorvem toda a radiação incidente e que, quando aquecido, emite a máxima quantidade de radiação possível. A maioria dos objectos desvia-se mais ou menos deste modelo, sendo por isso necessário efectuar-se correcções aos valores de T obtidos com o pirómetro, o que por vezes é extremamente difícil.
A calibração primária do dispositivo é feita através da intensidade da radiação emitida por um dispositivo que se aproxima de um corpo negro, à temperatura de fusão normal do ouro (1084,62 ºC) ou do cobre (1064,18 ºC), ou ainda da prata (961,78 ºC).
A calibração secundária de pirómetros ópticos, que trabalham a comprimentos de onda na zona do visível ou próximo desta, é geralmente feita usando lâmpadas de filamento de tungsténio como padrões de transferência. Para temperaturas inferiores a 700 ºC este procedimento não é possível, por insuficiência de intensidade de radiação a estas temperaturas. Numa calibração segundo a ITS-90, o pirómetro deve ser visualizado num corpo negro, cuja temperatura é simultaneamente determinada com um termómetro padrão de resistência de platina.
Um outro tipo de pirómetro que vale a pena mencionar, são os chamados pirómetros de radiação total. O seu princípio de funcionamento baseia-se na lei de Stefan-Boltzmann, a qual relaciona a radiação total emitida (não apenas a radiação correspondente a uma dada frequência) com a quarta potência da temperatura absoluta. Consiste normalmente numa superfície não refectora, tendo uma pequena capacidade calorífica, cuja temperatura pode ser medida por termometria de resistência ou por termopares.
Muitas das experiências no âmbito da Química e da Bioquímica têm de ser realizadas a temperatura controlada. Esta expressão tanto pode designar condições em que a temperatura é o mais possível constante, como condições em que a temperatura aumenta ou diminui com uma velocidade previamente estabelecida.
A termostatização a temperaturas próximas da ambiente é geralmente feita com auxílio de banhos de água, equipados com agitador e com uma resistência eléctrica de aquecimento, a qual está ligada em série a um interruptor térmico.
Na gama das temperaturas superiores à ambiente é normal o uso de banhos de óleo (onde é essencial a existência de uma serpentina de arrefecimento se se desejar uma boa estabilidade) ou de termostatos de ar.
Bibliografia: J. A. Martinho Simões, M. A. R. Botas Castanho, I. M. S. Lampreia, et al.; Guia do Laboratório de Química e Bioquímica; 2nd ed.; Lidel; Porto; 2008; pp. 125-141