A História da Termometria – Dos Primórdios à Precisão

Introdução – História da Termometria

A temperatura é uma das grandezas físicas mais importantes no nosso dia-a-dia. Sem uma medição precisa da temperatura, muitas coisas seriam mais complicadas ou mesmo perigosas. Mas nem sempre foi assim. Durante séculos, os seres humanos não tinham como medir a temperatura com precisão. Foi somente com o desenvolvimento dos primeiros termômetros, nos séculos 16 e 17, que uma nova era de ciência e tecnologia começou. Como evoluíram os termómetros ao longo do tempo? Que marcos levaram a medição de temperatura ao nível de precisão atual?

Por que a medição de temperatura é importante?

A temperatura influencia o nosso dia-a-dia mais do que muitas vezes percebemos conscientemente. Desde pegar um casaco de manhã até o café perfeitamente preparado e controlar o aquecimento no inverno – sem medição precisa de temperatura, muitas coisas seriam impraticáveis ou até mesmo perigosas.

A temperatura já desempenha um papel importante na cozinha. Ao cozinhar ou assar, determina o sabor e a consistência. Um bife só sai perfeitamente quando a temperatura central certa é atingida, e o chocolate derrete à temperatura corporal – e é por isso que derrete tão agradavelmente na língua. O café também só tem um sabor muito bom quando está quente o suficiente, mas não tão quente que você queime a língua.

A temperatura é importante não só na preparação dos alimentos, mas também no armazenamento dos alimentos. Uma geladeira precisa estar fria o suficiente para manter os alimentos frescos, mas não tão fria que frutas e vegetais congelem.

A medição da temperatura é indispensável nos cuidados de saúde. Quando temos febre, um termómetro dá-nos imediatamente uma avaliação se é uma constipação inofensiva ou possivelmente uma doença mais grave.

Uma rápida olhada no termômetro muitas vezes determina como nos vestimos ou quais atividades realizamos. Quando está gelado lá fora, vestimo-nos calorosamente e, quando a temperatura está alta, usamos roupas leves. A temperatura também é crucial para a nossa segurança na estrada: o gelo negro pode formar-se a temperaturas abaixo de zero.

Em última análise, a medição de temperatura é um auxiliar invisível que torna as nossas vidas mais seguras, confortáveis e saudáveis. Seja no pequeno-almoço, no trabalho ou na rua – determina muitas decisões sem que nos apercebamos conscientemente.

Breve prévia da história da termometria

A história da medição de temperatura remonta a um longo caminho. Mesmo nos tempos antigos, os estudiosos tentaram entender o calor e o frio, mas foi apenas nos séculos 16 e 17 que surgiram as primeiras escalas mensuráveis. Galileu Galilei desenvolveu o primeiro termoscópio por volta de 1593, que tornou visíveis as mudanças de temperatura, mas ainda não forneceu valores exatos. No século 18, pesquisadores como Fahrenheit, Celsius e Réaumur introduziram escalas de temperatura precisas, que lançaram as bases para métodos modernos de medição. Com a revolução industrial, surgiram novas tecnologias como o termómetro de mercúrio, termómetros de resistência elétrica e, mais tarde, sensores digitais.

Hoje, a Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) permite uma medição de temperatura de alta precisão e globalmente uniforme. Baseia-se em pontos fixos definidos, incluindo o ponto triplo da água (0,01 °C).

RTDs de platina padrão (SPRTs) são usados em medições de alta precisão, que permitem medições com precisão na faixa de microkelvin.

A história da termometria mostra como o que originalmente eram observações simples se tornou um padrão científico.

Primeiras tentativas de medição de temperatura

Antes dos termómetros existirem, as pessoas tinham de estimar as diferenças de temperatura de uma forma simples e muitas vezes subjetiva. Nos tempos antigos, não existiam escalas ou métodos exatos de medição, mas várias culturas desenvolveram métodos para avaliar aproximadamente o calor e o frio.

O método mais simples: sinta com a mão

O tipo mais óbvio de avaliação de temperatura foi o toque. As pessoas seguravam as mãos ao sol, na água ou ao vento para sentir calor ou frio. Mas este método é propenso a erros – a nossa pele adapta-se rapidamente às temperaturas, por isso muitas vezes só percebemos diferenças relativas.

Expansão do ar como indicador precoce de temperatura

Mesmo nos tempos antigos, os estudiosos observaram que o ar se expande quando está quente e se contrai quando está frio. Embora nenhuma pessoa específica tenha sido registrada pelo nome que fez essa observação, os primeiros cientistas usaram esse princípio para desenvolver dispositivos simples baseados na expansão do ar.

Significado Médico: A Temperatura do Corpo

Na medicina antiga, a temperatura desempenhou um papel importante na história da termometria. O médico grego Hipócrates (c. 460–370 a.C.) recomendou avaliar a temperatura de um paciente tocando sua testa ou mãos. Esta foi uma forma precoce de diagnóstico que ainda hoje é usada na medicina – apesar de hoje termos termómetros clínicos.

Os métodos da antiguidade eram rudimentares, mas lançaram as bases para desenvolvimentos posteriores. A observação da expansão do ar levou mais tarde ao desenvolvimento do termoscópio, e a avaliação da temperatura médica mostrou como a termometria é importante para a vida cotidiana.

Primeiras considerações teóricas na antiguidade (por exemplo, por filósofos como Empédocles ou Aristóteles)

Muito antes dos termômetros existirem, os filósofos antigos estavam preocupados com os conceitos de calor e frio. Como ainda não tinham métodos físicos de medição, interpretavam a temperatura com base em fenômenos naturais e princípios filosóficos. Dois dos pensadores mais importantes neste campo foram Empédocles (século 5 a.C.) e Aristóteles (século 4 a.C.), cujas ideias influenciaram o pensamento científico durante séculos.

Empédocles: A Teoria dos Quatro Elementos e a Temperatura como Propriedade da Matéria

Na história da termometria, Empédocles foi um dos primeiros filósofos a tentar explicar a natureza através de elementos fundamentais. Ele desenvolveu a doutrina dos quatro elementos, segundo a qual tudo consiste nas quatro substâncias básicas fogo, água, ar e terra. O calor foi associado ao fogo e ao ar, enquanto o frio foi associado à água e à terra. De acordo com esta teoria, a temperatura não era uma quantidade física independente, mas uma propriedade dos próprios elementos.

Esta abordagem tem sido usada há séculos como base para as ciências naturais. Só muito mais tarde se reconheceu que a temperatura não depende dos quatro elementos, mas do movimento das moléculas – um conceito que só foi desenvolvido nos tempos modernos pela teoria dos gases cinéticos.

Aristóteles: O calor como antagonista do frio

Aristóteles expandiu as ideias de Empédocles e estabeleceu um modelo em que o calor e o frio agiam como princípios opostos. Ele acreditava que todo material possuía naturalmente um certo “calor natural” ou “frieza natural” que poderia ser alterado por influências externas. De acordo com Aristóteles, o calor estava associado ao aumento (por exemplo, ar quente ou chamas), enquanto o frio levava à compressão e ao arrefecimento.

Aristóteles atribuiu propriedades específicas aos quatro elementos:
• Fogo: quente e seco
• Água: fria e húmida
• Terra: fria e seca
• Ar: quente e húmido

Estas classificações formaram a base para a sua compreensão do calor e do frio como propriedades fundamentais da matéria.

Estas ideias têm sido usadas na história da termometria há séculos na medicina, alquimia e filosofia natural. A temperatura desempenhou um papel importante, especialmente na medicina humoral de Hipócrates e Galeno – acreditava-se que o equilíbrio de sucos “quentes” e “frios” no corpo determinava a saúde.

Da filosofia à metrologia

Embora as teorias antigas na história da termometria ainda não permitissem medições precisas, elas lançaram as bases para a compreensão científica da temperatura. A ideia de que calor e frio são quantidades naturais e mensuráveis acabou levando ao desenvolvimento dos primeiros dispositivos de medição de temperatura nos séculos 16 e 17.

Hoje sabemos que a temperatura é uma consequência do movimento de átomos e moléculas – um conceito que pouco tem a ver com ideias antigas. No entanto, o insight na história da termometria permanece que os filósofos tentaram explicar a temperatura sistematicamente há mais de 2000 anos.

A invenção dos primeiros termómetros

O século 16 – Galileu Galilei e o termoscópio (ca. 1593)

No final do século 16, a pesquisa sistemática sobre medição de temperatura começou na história da termometria. Um dos primeiros desenvolvimentos significativos foi o termoscópio, que é atribuído a Galileu Galilei (ca. 1593). Na verdade, a autoria exata é contestada, já que outros cientistas, como Giambattista della Porta , também descreveram dispositivos semelhantes. O que é certo, no entanto, é que Galileu desenvolveu ainda mais o conceito e o utilizou pela primeira vez para observações físicas.

O termoscópio era um dispositivo simples que podia tornar visíveis as mudanças de temperatura. Consistia em uma bola de vidro cheia de ar que conduzia através de um tubo estreito para um vaso de água. Quando o ar na esfera aqueceu, expandiu-se e empurrou a água para baixo no tubo. Quando o ar arrefeceu, contraiu-se e a água voltou a subir. Embora isso tenha permitido observar qualitativamente uma mudança de temperatura pela primeira vez na história da termometria, não havia uma escala uniforme para determinar valores medidos com precisão.

Um grande problema com o termoscópio era que ele reagia não só à temperatura, mas também a mudanças na pressão do ar. Esta dependência dificultou as medições exatas e mais tarde levou ao desenvolvimento de termómetros com líquidos como álcool ou mercúrio que funcionavam independentemente da pressão ambiente.

Apesar destas limitações, o termoscópio foi um marco significativo. Ele lançou as bases para os desenvolvimentos posteriores da termometria e inspirou cientistas como Santorio Santorio, que foi o primeiro a aplicar uma escala para registrar numericamente as diferenças de temperatura. Assim, o termoscópio foi a primeira tentativa de tornar as mudanças de temperatura sistematicamente visíveis.

O século 17 – Os primeiros termômetros escalados por Santorio Santorio e Fernando II de Médici

No século 17, grandes avanços foram feitos na história da termometria. Embora o termoscópio de Galileu Galilei já fosse capaz de visualizar as mudanças de temperatura, faltava uma escala para obter valores mensuráveis. Dois cientistas desempenharam um papel importante na história da termometria: Santorio Santorio e Fernando II de Médici.

Santorio Santorio: O Primeiro Termômetro em Escala (ca. 1612)

O médico e cientista italiano Santorio Santorio (1561-1636) foi um dos primeiros na história da termometria a desenvolver um termômetro com uma escala . Santorio era conhecido por seu trabalho em metrologia médica e combinou o princípio do termoscópio com uma escala numérica para permitir comparações objetivas de temperatura.

Seu termômetro consistia em um tubo de vidro cheio de álcool e equipado com uma balança. No entanto, ainda não era completamente independente da pressão do ar, de modo que as flutuações no ambiente poderiam influenciar os resultados da medição. No entanto, foi um passo decisivo, uma vez que permitiu, pela primeira vez, registar e comparar quantitativamente as alterações de temperatura. Santorio usou seu termômetro especialmente na medicina para medir a temperatura corporal – um precursor do termômetro clínico moderno.

Ferdinand II von Medici: O primeiro termômetro líquido fechado (ca. 1654)

Outro grande passo em frente veio de Fernando II de Médici (1610-1670), Grão-Duque da Toscana e um entusiasta naturalista. Sob seus auspícios, pesquisadores da Accademia del Cimento desenvolveram um termômetro que usava álcool ou vinho como líquido de medição .

O que tornou este termómetro especial foi o facto de ter um capilar selado em comparação com os dispositivos anteriores, o que o tornou menos afetado pelas flutuações da pressão do ar. Representou, assim, um passo importante na história da termometria para o desenvolvimento de escalas de temperatura estáveis.

Os termômetros Medici lançaram as bases para o trabalho posterior de Daniel Gabriel Fahrenheit, que inventou o termômetro de mercúrio no século 18.

O trabalho de Santorio Santorio e Ferdinand II de Medici marcou um primeiro ponto de viragem na história da medição de temperatura.

O primeiro termômetro escalonado de Santorio e o termômetro líquido avançado, que foi menos afetado pela pressão do ar, abriram caminho para escalas de temperatura posteriores e o desenvolvimento de instrumentos de medição mais precisos.

História da Termometria: Primeiras Escalas de Temperatura

Com o desenvolvimento dos primeiros termômetros no século 17, surgiu a necessidade na história da termometria de tornar as medições de temperatura comparáveis. Sem uma escala uniforme, os dados de temperatura eram puramente relativos e dependentes de instrumentos de medição individuais. As primeiras tentativas de definir uma escala de temperatura vieram de diferentes cientistas que usaram diferentes pontos de referência.

Ole Rømer e a primeira escala de temperatura documentada (1701)

O astrônomo e físico dinamarquês Ole Rømer (1644-1710) foi um dos primeiros a desenvolver uma escala sistemática de temperatura. Sua escala fixou o ponto de congelamento da água em 7,5° e o ponto de ebulição em 60° . Isso tornou as medições de temperatura reprodutíveis pela primeira vez.

No entanto, a escala de Rømer tinha algumas desvantagens: a escolha de seus pontos fixos era arbitrária, e a divisão não era particularmente prática. No entanto, foi um passo importante para a padronização da medição de temperatura.

Escala de Temperatura de Isaac Newton (1701)

Quase ao mesmo tempo, Isaac Newton (1643-1727) propôs uma escala de temperatura mais orientada para a experiência prática.

Em vez de usar pontos fixos absolutos, como o ponto de congelamento ou ebulição da água, Newton orientou-se pela primeira vez na história da termometria para os fenómenos de temperatura do dia-a-dia e atribuiu-lhes valores numa escala. Seus cerca de 20 pontos de escala incluíam, entre outras coisas , “ar frio no inverno” como um ponto de referência baixo e “carvões brilhantes no fogo da cozinha” como um ponto fixo superior.

Mais tarde, Newton definiu a temperatura da neve derretida (0°) como um ponto de referência e mediu outras temperaturas relativas a ela com base na extensão do mercúrio.

A escala de Newton destinava-se principalmente a fins científicos e mais tarde foi substituída por escalas mais precisas. No entanto, foi importante no caminho para a termometria moderna.

Desenvolvimento de escalas de temperatura uniformes

O básico para escalas mais precisas

As primeiras escalas de temperatura ainda não eram universalmente padronizadas. Diferentes pesquisadores usaram diferentes pontos fixos, e muitas escalas foram baseadas na experiência subjetiva. As escalas, como as de Ole Rømer (1701) ou Isaac Newton (1701), estavam em construção. Com o desenvolvimento da termometria no século 18, tornou-se claro que uma escala de temperatura uniforme era necessária na história da termometria.

Foi apenas no século 18 que cientistas como Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius e René Antoine Ferchault de Réaumur conseguiram desenvolver escalas universalmente aceitas, que eventualmente se tornaram a base da medição de temperatura moderna.

Daniel Gabriel Fahrenheit (1724) – Termômetro de mercúrio e escala de Fahrenheit

Em 1724 , o físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) introduziu uma das primeiras escalas de temperatura padronizadas, que ainda hoje é usada nos EUA, por exemplo. Além da balança, ele também desenvolveu o primeiro termômetro de mercúrio confiável, que permitiu medições mais precisas do que os termômetros de álcool anteriores.

O termómetro de mercúrio – medições mais precisas

Fahrenheit experimentou pela primeira vez termômetros de álcool, mas descobriu que o álcool congela em baixas temperaturas e se expande de forma desigual em temperaturas mais altas. Por isso, começou a usar o mercúrio como líquido medidor.

Os benefícios do mercúrio:

• Permanece líquido em uma ampla faixa de temperatura (-39°C a 357°C).
• Expande-se linearmente, permitindo medições mais precisas.
• Não evapora facilmente, o que prolonga a vida útil do termómetro.

Com essas propriedades, o termômetro de mercúrio tornou-se o método padrão para medições de temperatura na ciência e tecnologia.

A Escala de Fahrenheit – Três Pontos Fixos para Medições de Temperatura

Fahrenheit estabeleceu três pontos fixos para sua escala de temperatura:

• 0°F: A temperatura mais baixa que ele criou com uma mistura de gelo, água e amônia
• 32 °F: Ponto de congelação da água
• 96 °F: Temperatura corporal de uma “pessoa saudável”
• 212 °F: Ponto de ebulição da água

Estes pontos fixos permitiram uma escala reprodutível que funcionou independentemente de termómetros individuais.

A escala de Fahrenheit rapidamente se estabeleceu na Inglaterra e nas colônias britânicas , mas foi substituída pela escala Celsius na maioria dos países durante os séculos 19 e 20. Hoje, é usado quase exclusivamente nos Estados Unidos .

A Escala de Réaumur (1730)

Em 1730, o cientista francês René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) desenvolveu uma escala de temperatura para termômetros de álcool que foi usada por muito tempo na França e em partes da Europa.

Características da escala de Réaumur

• 0 °Ré: Ponto de congelação da água
• 80 °Ré: Ponto de ebulição da água

Réaumur escolheu uma classificação em 80 graus, pois assumiu que o álcool se expande linearmente com a temperatura. No entanto, esta suposição acabou por ser imprecisa, uma vez que os líquidos se expandem de forma diferente a diferentes temperaturas.

A escala de Réaumur foi usada principalmente na França, Itália e Rússia , mas perdeu sua importância na história da termometria com a introdução da escala Celsius .

Anders Celsius (1742) – escala Celsius

O astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744) desenvolveu uma nova escala de temperatura em 1742 , que mais tarde se tornou um padrão internacional . Ao contrário da escala de Fahrenheit, Celsius usou uma divisão decimal que permitiu um manuseio intuitivo.

A escala Celsius

Em seu trabalho Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer , Celsius propôs uma escala de temperatura com dois pontos fixos à pressão normal:

• 0 °C: O ponto de ebulição da água.
• 100 °C: O ponto de congelação da água.

Este escalonamento inverso foi incomum no início. Após a morte de Celsius em 1744 , seus alunos, especialmente Carl von Linné (1707-1778), defenderam uma inversão da escala – um processo especial na história da termometria. Como resultado, o ponto de congelamento foi fixado em 0 °C e o ponto de ebulição em 100 °C – uma ordem mais intuitiva que se estabeleceu em todo o mundo.

Benefícios da escala Celsius

A escala Celsius tinha duas grandes vantagens em relação às escalas de temperatura anteriores:

• Fácil de usar: A divisão decimal em 100 passos facilitou medições e cálculos.
• Pontos fixos precisos: A escala foi baseada nas propriedades físicas da água (à pressão normal), que eram reprodutíveis em todos os lugares.

Escala Celsius e seu significado hoje

Hoje, a escala Celsius é uma das escalas de temperatura mais utilizadas como graus Celsius (°C) e é usada como padrão para medições de temperatura em quase todos os países. Apenas nos EUA e em alguns países a escala de Fahrenheit ainda é utilizada.

A escala Celsius também forma a base para a escala Kelvin (K), que é usada na ciência. Aplica-se o seguinte:

0 °C = 273,15 K (Kelvin começa no zero absoluto).

A introdução da escala Celsius foi outro grande passo na termometria. Graças ao seu layout simples, pontos fixos claros e manuseio intuitivo, rapidamente se tornou um padrão internacional. Embora o próprio Anders Celsius não tenha vivido para ver o escalonamento de hoje, seu trabalho é um dos desenvolvimentos mais importantes na história da medição de temperatura.

A Escala Kelvin (1848)

Em 1848 , o físico escocês William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907) introduziu a primeira escala de temperatura absoluta . Um passo significativo na história da termometria! A escala de Kelvin (K) baseia-se no zero absoluto, o menor valor de temperatura possível no qual todos os movimentos térmicos param. A escala de Kelvin (1848) é a primeira escala de temperatura absoluta cientificamente fundamentada.

Características da escala Kelvin:

• 0 K: Zero absoluto (-273,15 °C).
• 273,15 K: Ponto de congelação da água (0 °C).
• 373.15 K: Ponto de ebulição da água (100 °C).

A escala Kelvin é particularmente usada em ciências, física e termodinâmica , pois é independente de pontos fixos específicos e é baseada no movimento energético das partículas .

A escala Kelvin é agora a escala de temperatura oficial do Sistema Internacional de Unidades (SI). Uma grande vantagem da escala Kelvin é que ela permite valores de temperatura sem números negativos.

Progresso nos séculos 19 e 20

Com a ascensão da ciência e tecnologia modernas, os séculos 19 e 20 trouxeram grandes avanços na medição de temperatura. Em particular, foram desenvolvidas novas escalas de temperatura e a investigação centrou-se em métodos de medição mais precisos e em novas tecnologias.

Em particular, a introdução da termometria de resistência à platina e termopares melhorou a medição de temperatura industrial e científica e levou a grandes avanços na história da termometria.

Desenvolvimento de termómetros de resistência (Siemens & Callendar, 1871–1887)

A introdução de termômetros de resistência elétrica no final do século 19 foi um avanço significativo na medição de temperatura. Enquanto os termômetros líquidos já haviam dominado anteriormente, os termômetros de resistência permitiram medições de temperatura altamente precisas e reprodutíveis pela primeira vez. Dois cientistas desempenharam um papel central neste desenvolvimento:

• Werner von Siemens (1871): Primeiras experiências com termómetros de resistência à base de platina.
• Hugh Longbourne Callendar (1887): Especificação de métodos de medição e introdução de termómetros de resistência à platina (PRT) para aplicações científicas.

Werner von Siemens (1871): Primeiros conceitos para termometria de resistência

Em 1871, o inventor e engenheiro alemão Werner von Siemens (1816-1892) foi o primeiro a reconhecer que a resistência elétrica de um fio muda com a temperatura e pode ser usada como medida. Ele propôs o uso de metais como sensores de temperatura , pois sua resistência aumenta com a temperatura de forma previsível.

A Siemens inicialmente usou fios de cobre e ferro, mas descobriu que esses materiais não eram estáveis o suficiente por longos períodos de tempo. Por isso, continuou o seu trabalho de desenvolvimento com platina como material de resistência .

Callendar (1887): Platina como material ideal para termómetros de resistência

Em 1887, o físico britânico Hugh Longbourne Callendar (1863-1930) refinou a termometria de resistência e desenvolveu o primeiro termômetro preciso de resistência à platina (PRT).

Porquê a platina?
Callendar, como Werner von Siemens, descobriu que a platina é ideal para RTDs porque:

• Proporciona a máxima estabilidade durante longos períodos de tempo.
• Aumento quase linear na resistência com a temperatura mostra.
• Tem um alto ponto de fusão (1768 °C) e é adequado para amplas faixas de temperatura.

Ele determinou uma relação resistência-temperatura e desenvolveu uma equação empírica para o cálculo da temperatura:

[
R_T = R_0 (1 + \alfa T)
]

pelo que:

• ( R_T ) é a resistência à temperatura ( T ),
• ( R_0 ) a resistência a 0 °C,
• ( \alpha ) é o coeficiente de temperatura da platina.

Esta equação foi a primeira abordagem padronizada para a medição de temperatura elétrica e mais tarde tornou-se a base dos RTDs de platina (PRTs).

A equação de Callendar-Van Dusen (equação CvD) estende a fórmula empírica original de Hugh Callendar e descreve a relação resistência-temperatura não linear de RTDs de platina (PRTs) na faixa de -200 °C a 850 °C, permitindo medições de temperatura altamente precisas. Este passo é de grande importância na história da termometria, pois a chamada equação de Callendar-Van Dusen ainda é usada hoje.

Do termómetro de Callendar à termometria de resistência moderna

Após o trabalho de Callendar, os RTDs de platina (PRTs) foram melhorados e mais tarde estabelecidos como RTDs de platina padrão (SPRTs) na Escala Internacional de Temperatura (ITS-90).

Desenvolvimentos importantes na história da termometria:

• Introdução de enrolamentos de arame protegidos para minimizar o stress mecânico.
• Melhoria da estabilidade a longo prazo através da platina de alta pureza.
• Otimização de pontes de medição para detetar com precisão mudanças extremamente pequenas na resistência.

Hoje, os RTDs de platina são os termômetros elétricos mais precisos.

Termopares

Os termopares são um dos métodos mais versáteis para medir a temperatura e são utilizados em todo o mundo na indústria, ciência e investigação. Eles são baseados no efeito Seebeck, que foi descoberto pela primeira vez no século 19.

O efeito Seebeck – a base dos termopares

Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck (1770-1831) descobriu que uma tensão elétrica é gerada em um circuito fechado de dois metais diferentes quando os dois pontos de contato têm temperaturas diferentes. Este fenômeno é chamado de efeito Seebeck e forma a base para termopares.

Princípio:

• Um termopar é composto por dois metais diferentes (muitas vezes ligas) unidos em ambas as extremidades.
• Um composto (ponto de medição) é aquecido ou arrefecido, enquanto o outro permanece a uma temperatura de referência (a chamada junção termopar ou junção fria).
• A diferença de temperatura cria uma tensão elétrica que se correlaciona diretamente com a temperatura. Esta tensão é chamada de tensão térmica.

Desenvolvimento e padronização de termopares

Após a descoberta de Seebeck, a tecnologia foi desenvolvida:

• 1826: Jean Charles Athanase Peltier descobre o efeito inverso (efeito Peltier), que mostra que as correntes elétricas podem produzir diferenças de temperatura.
• Século 20: Os termopares foram padronizados e otimizados para aplicações industriais. Hoje, os termopares são padronizados de acordo com as normas internacionais, por exemplo, IEC 60584 e IEC 62460.

Tipos comuns de termopares e suas propriedades

Tipo	+ Coxas	-coxa	Faixa de medição em °C
T	Cu	CuNi	-270 … 400
J	Fe	CuNi	-210 … 1200
E	NiCr	CuNi	-270 … 1000
K	NiCr	Ni	-270 … 1372
N	NiCrSi	Nisi	-200 … 1200
R	Pt13Rh	Pt	-50 … 1768
S	Pt10Rh	Pt	-50 … 1768
B	Pt30Rh	Pt6Rh	0 … 1820
C	W5Re	W26Re	0 … 2315
Um	W5Re	W20Re	0 … 2500
Cf. DIN EN 60584-1:2014-07

Vantagens e desvantagens dos termopares

Vantagens:
✔️ Faixa de temperatura muito ampla (de -270 °C a 1820 °C).
✔️ Construção robusta, resistente a vibrações e tensões mecânicas.
✔️ Tempo de resposta rápido às mudanças de temperatura.
✔️ Nenhum sinal de alimentação externa necessário (energia própria devido ao efeito Seebeck).

Desvantagens:
❌ Menor precisão do que os termómetros de resistência (SPRTs, PRTs).
❌ A tensão térmica não é linear – são necessárias tabelas de calibração ou correção.
❌ A interferência eletromagnética pode afetar o sinal.

Os termopares são um método barato, robusto e versátil de medir a temperatura e foram comprovados em inúmeras aplicações industriais e científicas. Embora não atinjam a precisão de RTDs ou SPRTs, eles são populares devido ao seu baixo custo, ampla gama de usos e altas faixas de temperatura .

Balanças Internacionais de Temperatura

A fim de permitir medições de temperatura uniformes em todo o mundo, várias escalas internacionais de temperatura foram desenvolvidas ao longo dos anos. Enquanto os primeiros métodos de medição eram frequentemente baseados em escalas individuais, na história da termometria foi necessário criar uma referência uniforme .

Já no século 19, as primeiras tentativas foram feitas para basear escalas de temperatura em pontos fixos termodinâmicos fixos .

Escala Internacional de Hidrogénio (1887)

A Escala Internacional de Hidrogênio foi introduzida em 1887 e foi uma das primeiras tentativas de estabelecer uma escala de temperatura uniforme em uma base física fundamental . Foi baseado nas propriedades de um termômetro de gás que foi operado com hidrogênio como um gás de amostra.

A escala de hidrogênio usou um termômetro de gás de volume constante que determinou a temperatura com base na mudança de pressão de hidrogênio em um volume constante. A base foi a lei de Gay-Lussac, que afirma que a pressão de um gás ideal muda linearmente com a temperatura a um volume constante.

Escala Internacional de Temperatura de 1927 (ITS-27)

A Escala Internacional de Temperatura de 1927 (ITS-27) foi a primeira escala de temperatura oficialmente definida a ser adotada como um padrão mundial para medições precisas de temperatura.

A introdução do ITS-27 pelo Comité Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) visava criar uma escala uniforme para a ciência e a tecnologia .

O ITS-27 baseou-se na definição de pontos fixos de temperatura baseados nas transições de fase de substâncias puras.

O ITS-27 foi um grande passo em frente, pois foi o primeiro a definir uma escala de temperatura globalmente uniforme e precisa . Tem sido amplamente utilizado em aplicações científicas e industriais.

Escala Prática Internacional de Temperatura de 1948 (IPTS-48)

A Escala Prática Internacional de Temperatura de 1948 (IPTS-48) foi introduzida como sucessora da ITS-27 para melhorar ainda mais a medição da temperatura e adaptá-la a novas descobertas científicas.

Razões para a adoção do IPTS-48
O ITS-27 apresentava algumas insuficiências, nomeadamente:

• Imprecisões a baixas temperaturas, uma vez que os termómetros de hidrogénio a gás não se comportavam de forma ideal.
• Desvios de medição a altas temperaturas causados pela termometria da radiação.
• Desenvolvimento adicional de IDT que exigiram uma escala mais precisa.

O IPTS-48 introduziu uma definição mais precisa de pontos fixos e métodos de interpolação .

Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68)

A Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68) foi uma versão revista do IPTS-48 e foi introduzida para melhorar ainda mais a precisão da medição de temperatura . Até a introdução do ITS-90 , era a escala de temperatura reconhecida mundialmente.

Melhorias em relação ao IPTS-48
O IPTS-68 trouxe várias mudanças importantes:

• Novos pontos fixos de temperatura, especialmente em temperaturas muito baixas e muito altas.
• Métodos de interpolação otimizados para medições de temperatura mais precisas.
• Uso expandido de RTDs de platina (PRTs) para uma determinação mais precisa da temperatura.

Desvantagens e substituição pelo ITS-90
Embora o IPTS-68 permitisse medições de temperatura mais precisas, havia alguns problemas conhecidos:

• Desvios de medição em determinadas faixas de temperatura.
• Não é a rastreabilidade ideal para a escala de temperatura termodinâmica.
• Diferentes fatores de escala que levaram a pequenas discrepâncias em diferentes aplicações.

Devido a estas limitações, o IPTS-68 acabou por ser substituído pelo ITS-90 em 1990, o que proporciona uma melhor consistência termodinâmica e maior precisão.

Termometria de precisão avançada

A medição de temperatura evoluiu tremendamente desde os primeiros termoscópios e termômetros líquidos. Enquanto os termômetros anteriores eram muitas vezes imprecisos devido a influências externas, como flutuações de pressão do ar ou evaporação, os termômetros de precisão modernos permitem a determinação de temperatura extremamente precisa até a faixa de microkelvin.

Graças a sensores altamente desenvolvidos, as temperaturas podem agora ser medidas com uma precisão de até alguns milionésimos de grau . O desenvolvimento da Escala Internacional de Temperatura (ITS-90) também criou um sistema de referência uniforme para medições de temperatura de alta precisão.

Os RTDs de platina padrão (SPRTs) são os RTDs mais precisos e formam o principal instrumento de interpolação da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), permitindo medições de temperatura altamente precisas de -200°C a 961,78°C .

Escala Internacional de Temperatura (ITS-90)

A Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) é a referência mundialmente reconhecida para medições de temperatura de alta precisão. Foi introduzido pela Comissão Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) e substitui escalas anteriores como a IPTS-68 (International Practical Temperature Scale of 1968). O ITS-90 serve como uma realização prática da escala de temperatura termodinâmica, definindo uma série de pontos fixos para determinação precisa da temperatura.

Com o ITS-90, RTDs de platina padrão foram definidos como um instrumento de interpolação na faixa de 13,8033 K (ponto triplo de hidrogênio) a 961,78 °C (ponto de solidificação da prata).

A ITS-90 é a escala de temperatura mais precisa e padronizada internacionalmente e é usada em muitas áreas. Representa o padrão internacional atual para medições precisas de temperatura. Graças aos seus pontos fixos de temperatura e instrumentos de interpolação , permite uma determinação de temperatura uniforme e reprodutível em todo o mundo.

Pontos fixos de temperatura do ITS-90

Não.	T90 em K	t90 em °C	Tecido	Representação
1	3 a 5 anos	-270 a 268,15	Ele	DD
2	13,8033	-259,3467	H2	TP
3*	cerca de 17	aprox. 256,15	H2	DD
4*	aprox. 20,3	aprox. 252,85	H2	DD
5	24,5561	-248,5939	NE	TP
6	54,3584	-218,7916	O2	TP
7	83,8058	-189,3442	São	TP
8	234,3156	-38,8344	Hg	TP
9	273,15	0,01	H2O	TP
10	302,9146	29,7646	Ga	SP
11	429,7485	156,5985	Em	PE
12	505,078	231,928	Sn	PE
13	692,677	419,527	Zn	PE
14	933,473	660,323	Al	PE
15	1234,93	961,78	Ag	PE
16	1337,33	1064,18	Ouch	PE
17	1357,77	1084,62	Cu	PE
Walter Blanke: A Escala Internacional de Temperatura de 1990: ITS-90DD = Pressão de Vapor TP = Ponto Triplo SP = ponto de fusão EP = ponto de solidificação * = Existem várias temperaturas

Medição de precisão SPRT high-end – John P. Tavener e o SPRT de ponto fixo de cobre

Com base no trabalho de John P. Tavener (1942-2020), o desenvolvimento de um novo termômetro padrão de resistência à platina (SPRT) para o ponto fixo de temperatura do cobre (1084,62 °C) representa um destaque preliminar na história da termometria. Os SPRTs anteriores estavam limitados ao ponto fixo prateado (961,78 °C) devido à estabilidade do material e problemas de contaminação em temperaturas mais altas. Tavener resolveu este problema usando um transportador de safira sintéticapara o enrolamento de platina e um tubo protetor de alumina que é fornecido com uma ligeira sobrepressão de oxigênio . Isso evita a entrada de contaminantes e proporciona um ambiente de oxidação estável, que é necessário para a platina. Além disso, o termômetro foi fornecido com um viés de +9V DC para melhorar as propriedades de isolamento e repelir ativamente as impurezas iônicas através de um campo elétrico.

Testes ao longo de várias centenas de horas a temperaturas até 1090 °C mostraram uma estabilidade excecional a longo prazo com um desvio de apenas 0,1 mK/h. Enquanto experimentos anteriores com poços térmicos de safira falharam devido a tensões térmicas, este novo projeto mostrou reprodutibilidade sem precedentes e, portanto, é adequado para caracterizar células de ponto fixo de temperatura de cobre com incerteza de medição sem precedentes.

Com o desenvolvimento deste SPRT de alta precisão para o ponto fixo de cobre, a história da termometria atingiu um clímax temporário – desde a antiguidade até os primeiros termoscópios simples até a termometria de precisão moderna, que hoje permite medições de temperatura com precisão sem precedentes.

Fontes

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Direitos de imagem

“Quatro Elementos da Alquimia”, domínio público, disponível no Wikimedia Commons

“Os Quatro Elementos” na Catedral Imperial de Königslutter – August von Essenwein (1831-1892); Adolf Quensen (1851-1911), Domínio público, tomado por Rabanus Flavus, Wikimedia Commons, 15 de fevereiro de 2012

Retrato de Galileu Galilei, pintado por Domenico Tintoretto (1602–1607), foto do Museu Marítimo Nacional, Greenwich, Londres, disponível no Wikimedia Commons

Foto do termoscópio de Galileu Galilei no Musée des Arts et Métiers, tirada por Chatsam, licenciada sob CC BY-SA 3.0 – disponível no Wikimedia Commons

Santorio Santorio – Commentaria in primam Fen primi libri Canonis Avicennae – Apud Jacobum Sarcinam, 1626 – Public Domain Mark

Termômetro Medici – Accademia del Cimento. (1667) – Saggi di Naturali Esperienze

Retrato de Sir Isaac Newton, Escola Inglesa, c. 1715–1720 – Wikimedia Commons

Daniel Gabriel Fahrenheit, cerca dos séculos XVII a XVIII – Wikimedia Commons

Réaumur, R. A. F. (1730). Observations sur la Construction des Thermomètres

Retrato de René-Antoine Ferchault de Réaumur da ‘Galerie des naturalistes’ de Jules Pizzetta, 1893 – disponível no Wikimedia Commons

Retrato de Anders Celsius pintado por Olof Arenius – Wikimedia Commons

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Retrato de William Thomson – 1º Barão Kelvin – 1906 – Wikimedia Commons

Retrato de Werner von Siemens fotografado por Giacomo Brogi – Wikimedia Commons

Retrato de Hugh Longbourne Callendar – c. 1900 – fotógrafo desconhecido – domínio público – via Wikimedia Commons

Retrato de Thomas Johann Seebeck – início do século 19, retratado em “Goethe e seu mundo” por Hans Wahl e Anton Kippenberg – 1932 – Wikimedia Commons