A escala Kelvin, também conhecida como escala absoluta, foi proposta por um matemático e físico britânico, que nasceu em 1824, em Belfast, Irlanda do Norte, com o nome de William Thomson. Aos 68 anos de idade, ele recebeu o título de nobreza de Primeiro Barão Kelvin de Largs, pela grande importância de seus trabalhos científicos. Esta é uma escala absoluta de medição de temperatura pelo seguinte motivo: como a temperatura de um corpo está intimamente relacionada com a agitação dos elétrons do mesmo corpo, é de esperar que a temperatura de zero grau ocorra em uma situação na qual praticamente não houvesse movimento dos elétrons.
Essa condição é inatingível na prática, mas, caso fosse, a pressão exercida por um gás na parede interna do recipiente, onde o mesmo se encontraria, seria zero, uma vez que não haveria mais agitação e colisões das moléculas com as paredes do recipiente. “A utilização de modelos matemáticos e físicos permitiu que fosse determinada a temperatura para a qual a pressão de um gás fosse zero. E, essa temperatura foi de -273,15°C, a qual passou a ser chamada de zero Kelvin ou zero absoluto, afirma Dr. José Arnaldo Duarte, professor do Curso a Distância CPT Básico de Refrigeração, em Livro+DVD e Curso online.
O zero absoluto existe?
A grosso modo, podemos pensar que no zero absoluto os movimentos moleculares cessam. No entanto, em uma análise mais detalhada e mais técnica, podemos afirmar que esta é uma simplificação do processo que é feita para facilitar a compreensão do processo, uma vez que, na realidade, não é exatamente isso que acontece. Atingir o zero absoluto tem sido um desafio para todas as tentativas experimentais. Curiosamente, é possível obter temperaturas negativas, medidas em Kelvin. Mas, de forma surpreendente, essas temperaturas são atingidas sem passar pelo zero absoluto, mas por meio de temperaturas infinitas.
O que diz a Lei da Termodinâmica?
De acordo com a Terceira Lei da Termodinâmica, é impossível reduzir a temperatura de qualquer sistema à temperatura de zero absoluto, mediante um número determinado de operações, independente do procedimento adotado. Esta é a razão pela qual não se pode construir uma máquina ideal em que todo o calor seja transformado em trabalho, sem haver perdas.
Coeficiente de dilatação volumétrica dos gases
Os gases, qualquer que seja, estando com a temperatura igual à temperatura do ponto de gelo da água (0°C), se for aquecido até o ponto de vaporização da água (100°C), terá o seu volume aumentado em aproximadamente 1/2,73 vez (quase 1/3), se mantida a pressão constante. Assim, podemos concluir facilmente que o volume de um gás será aumentado em aproximadamente 1/2,73 vez, quando a sua temperatura variar entre zero e 100°C. Como essa expansão de volume ocorre linearmente, à medida que a temperatura vai sendo e levada, podemos concluir, também, que, para cada grau de aumento na temperatura, o gás terá uma expansão de volume praticamente igual a 1/273 vez do seu volume inicial (1/100 x 1/2,73 = 1/273). Esse valor corresponde exatamente ao coeficiente de dilatação volumétrica dos gases.
Seguindo o mesmo raciocínio, se o gás, ao invés de ser aquecido, for resfriado abaixo de zero grau Celsius, ele sofrerá uma redução de volume, na mesma proporção, ou seja, de aproximadamente 1/273 para cada grau a menos de temperatura. Dessa forma, quando a temperatura atingisse -273,15°C (zero absoluto), o volume do gás teria reduzido totalmente, ou seja, seria igual a zero. Entretanto, isso não acontece, pois todos os gases se liquefazem (se tornam líquidos) antes de a temperatura atingir o valor correspondente ao zero absoluto. Alguns gases liquefazem em uma temperatura “mais distante”, outros “mais próxima” do zero absoluto. Entre eles, o gás Hélio parece ser o que liquefaz em uma temperatura mais próxima do zero absoluto, o que ocorre geralmente em torno de -269 K. Na escala Kelvin, a temperatura de fusão do gelo é igual a 273,15°C e a de vaporização da água igual a 373,15°C.
Observação: Para efeito de cálculo, é muito comum arredondar os valores 273,15 K para 273 K (fusão do gelo) e 373,15 K para 373 K (ebulição da água).
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