Descreva em detalhes o funcionamento de um termômetro de gás e como este dispositivo foi utilizado na obtenção da escala Kelvin de temperatura.
Passo 1
O enunciado pede para a gente entender como funciona um termômetro de gás e como ele permitiu definir a escala de temperatura Kelvin. O conteúdo principal aqui é termometria e a lei dos gases ideais, e vamos precisar usar conceitos de pressão, volume constante, relação pV=nRT e extrapolação para o zero absoluto.
Passo 2
Um termômetro de gás funciona normalmente mantendo o volume do gás preso constante e medindo a pressão interna. Quando a temperatura sobe, as moléculas de gás colidem com mais força e mais frequência, aumentando a pressão medida por um manômetro acoplado ao bulbo de gás.
Passo 3
Para relacionar pressão e temperatura usamos a lei dos gases ideais. Como o volume (V) e a quantidade de gás (n) são fixos, temos que
Isso significa que a pressão varia de forma diretamente proporcional à temperatura absoluta (T). Em termos práticos, medimos p para vários valores em uma escala termométrica provisória (por exemplo °C).
Passo 4
Para definir o zero da escala absoluta, fazemos medições de p a diferentes temperaturas conhecidas (usando, por exemplo, pontos de fusão e ebulição da água) e representamos p em função de T em °C. Ao extrapolar essa reta até que p se anule, encontramos o que seria T=–273,15 °C.
Essa extrapolação aponta o ponto em que as moléculas de gás teriam energia cinética nula – o chamado zero absoluto. Aí estabelecemos que esse ponto corresponde a 0 K.
Essa extrapolação aponta o ponto em que as moléculas de gás teriam energia cinética nula – o chamado zero absoluto. Aí estabelecemos que esse ponto corresponde a 0 K.
Passo 5
Por fim, adotamos a definição oficial: o ponto triplo da água é fixado em exatamente 273,16 K. Com isso, cada incremento de 1 K corresponde ao mesmo incremento de 1 °C, mas medido a partir do zero absoluto.
Passo 6
O termômetro de gás foi, portanto, o instrumento-chave para demonstrar experimentalmente que existe um limite térmico inferior (o zero absoluto) e para calibrar a escala Kelvin com base em uma extrapolação linear da lei dos gases ideais.
Resposta
Um termômetro de gás opera em volume constante, medindo pressão que varia linearmente com a temperatura absoluta segundo pV=nRT. Ao calibrar pontos fixos (como fusão e ebulição da água) e extrapolar a reta p×T até p=0, determina-se o zero absoluto (–273,15 °C). Definindo o ponto triplo da água como 273,16 K, estabelece-se a escala Kelvin, na qual cada kelvin equivale a um grau Celsius a partir do zero absoluto.