Medição de Temperatura

Taís Orestes Feijó

O que é temperatura?

O conceito de temperatura pode ser entendido de inúmeras maneiras. Instintivamente, somos levados a relacionar temperatura com “estar frio” ou “estar quente”, o que não está errado, mas se torna um conceito muito relativo, pois se torna diferente de pessoa pra pessoa. Então de maneira mais geral, podemos pensar em temperatura como uma medida da agitação das moléculas que compõem um sistema, isto é, está diretamente relacionada com a energia interna do mesmo.

História da Medição de Tempertura

De acordo com os registros, a primeira tentativa de mensurar a temperatura foi em 170 d. C. por Claudius Galenus, que propôs uma escala com quatro graus acima e abaixo do ponto neutro (definido pela proporção igual de uma mistura de água fervendo e gelo). Em meados do século XVI, Galileu Galilei desenvolveu o primeiro termômetro, que era formado por um tubo fino de vidro com uma esfera na ponta com pressão menor que a atmosférica, esse era inserido num recipiente com água e quando a temperatura próxima da esfera estivesse alta, o líquido no tubo descia. Desde então, muitos termômetros foram desenvolvidos utilizando gás, e, apenas em 1714, Daniel Fahrenheit criou o primeiro termômetro em vidro utilizando mercúrio. Assim, ele estabeleceu uma das primeiras escalas termométricas, usando o 0°F como a temperatura de uma mistura de gelo, água e sal, 30°F como a temperatura de água com gelo, e 96°F como a temperatura da boca de um ser humano.
Em 1742, Anders Celsius propôs utilizar a temperatura de ebulição da água e fusão do gelo como pontos fixos numa escala de temperatura. E no início do século XIX, Lord Kelvin desenvolveu uma escala termodinâmica universal, baseado no coeficiente de expansão de um gás ideal. Ele manteve um gás em volume constante e resfriou de 0°C para -1°C, e constatou que a pressão diminuía em 1/273 vezes. Assim, ele concluiu que quando a temperatura estivesse em -273°C, a pressão seria nula (consequentemente, a temperatura também). Então, criou o termo zero absoluto em 0K.
Em 1933, o Comitê Internacional de Pesos e Medidas definiu o ponto triplo da água como ponto fixo na escala termométrica com valor de 273,16K.

Tipos de Equipamentos para Medição de Temperatura

Abaixo são listados os tipos mais comuns de equipamentos para medir temperatura.

  • Termômetro Clínico: Este termômetro utiliza o princípio de dilatação de líquidos, principalmente o mercúrio. Opera entre temperaturas de 34°C e 43°C.
  • Termômetro a álcool: Utiliza o mesmo princípio do anterior, porém opera entre temperaturas de -10°C e 150°C. Normalmente possui um corante vermelho para melhor visualização da escala.
  • Termômetro de Máxima e de Mínima: Indica a temperatura máxima e a mínima atingidas pelo termômetro desde a última vez que foi ajustado. Normalmente utilizado na meteorologia, e indica a máxima e a mínima temperatura atingida no dia.
  • Termômetro a gás: Mede a temperatura através da leitura da pressão do gás a volume constante. É utilizado para medir baixas temperaturas. Geralmente é usado gás Hélio, que tem temperatura de condensação de -269°C.
  • Termômetro de radiação: É utilizado para medir temperatura sem contato com o objeto. Usado em satélites meteorológicos para medir a temperatura da atmosfera, opera em temperaturas entre -50°C e 3000°C. Mede qualquer sistema que emita radiação eletromagnética na forma de luz visível ou radiação infravermelha. Normalmente utilizado para detectar humanos, animais ou qualquer corpo quente em florestas.
  • Pirômetro Óptico: É um tipo de termômetro de radiação, mas que pode ser utilizado para medir a temperatura de metais incandescentes, fornalhas e até estrelas, pois pode medir temperaturas acima do ponto de fusão dos materiais que o constituem. O valor da temperatura medida é relacionado com a corrente elétrica necessária para gerar uma luminosidade do filamento igual ao sistema em questão.
  • Termômetro de Lâmina Bimetálica: É constituído por duas lâminas de metais diferentes soldadas que, ao serem aquecidas, dilatam-se. Por serem metais diferentes, um dilata mais que o outro e encurva a lâmina. Opera em temperaturas entre -5°C e 300°C.
  • Termopar: É composto por dois fios de metais diferentes soldados nas extremidades e, quando aquecidos, produzem uma corrente elétrica que depende da temperatura. Pode operar até uma temperatura de 1800°C.

Curiosidades na Termometria

Com o avanço da ciência, a cada dia somos surpreendidos com os novos limites alcançados em todas as áreas de pesquisa. E a termometria não foge disso. Para exemplificar, será discutido a seguir o estado da arte de duas curiosidades acerca de termometria e escalas de temperatura.

Microrrefrigerador NIS e Sensor de Borda de Transição (TES)

Em 2008, os pesquisadores do NIST (National Institute of Standards and Technology) conseguiram alcançar a escala dos miliKelvins. Isso foi possível porque eles conseguiram desenvolver o microrrefrigerador NIS (Metal Normal – Isolante – Supercondutor), com o objetivo de resfriar um sensor criogênico (TES) utilizado na análise de defeitos em semicondutores e na pesquisa astronômica.

  • Microrrefrigerador Normal-Isolante-Supercondutor (NIS)

O microrrefrigerador construído é formado por uma camada de metal normal (Al dopado com Mn para suprimir a supercondutividade), sobre uma camada de isolante e uma camada de supercondutor (Al elementar), e mede 15 μm de largura e 25 μm de comprimento.
Quando uma tensão é aplicada através dessas camadas, os elétrons livres do metal normal conseguem atravessar o material isolante por tunelamento e atingir o supercondutor. Assim, a temperatura do metal normal cai e drena energia eletrônica e vibracional dos objetos que devem ser resfriados.
Esse microrrefrigerador é acoplado com outros refrigeradores que partem da temperatura ambiente até 300mK e ele conclui o resfriamento até 100mK, que é a faixa operacional do TES (Transition-Edge Sensor), o objeto de interesse.

  • Sensor de Borda de Transição (TES)

O TES é um sensor que opera somente próximo de sua temperatura de transição de supercondutor para metal normal. Ele é extremamente importante para o avanço das pesquisas astronômicas e de semicondutores porque quando acoplado com um absorvedor forma um microcalorímetro com uma resolução de energia muito melhor que outros tipos de detectores, próxima de 1,4 eV. No caso da indústria de semicondutores, identificar raios-x emitidos por partículas em escala nanométrica é importante porque podem influir no funcionamento dos chips produzidos. E no caso das pesquisas astronômicas se torna importante para observações que envolvam a radiação cósmica de fundo.
O TES pode ser pensado como um termômetro extremamente sensível. Ele é formado por um filme supercondutor operado próximo de sua temperatura de transição para metal normal, T. No caso do TES desenvolvido pelo NIST, foi utilizada uma bicamada de Mo/Au sintonizada para uma T=100mK. Durante essa transição, uma pequena variação na temperatura provoca uma grande mudança na resistência do material (Ver Fig. 1). Essa relação de temperatura e resistência é obtida pelo fator α, definido como:

Esse é um fator importante para ser usado nos cálculos de resolução de energia do microcalorímetro, descrito abaixo.


Fig. 1 - Gráfico da resistência em função da temperatura em um TES. Apresenta a borda onde ocorre a transição de supercondutor para metal normal e, consequentemente, aumenta a resistência do material. Créditos: http://web.mit.edu/figueroagroup/ucal/ucal_tes/index.html

O TES é acoplado no microcalorímetro, que é constituído por três partes básicas: um absorvedor com capacidade calorífica C, um termômetro (TES) e uma ligação térmica fraca (com condutância G) para um banho frio com temperatura Tb. O banho frio é mantido por um microrrefrigerador entre 50 e 300mK.
Quando um fóton atinge o absorvedor, a sua energia é convertida em calor, que eleva a temperatura do absorvedor. Um termômetro muito sensível registra esse aumento de temperatura. O dispositivo, em seguida, se resfria através da ligação térmica fraca e volta a sua temperatura anterior, pronto para detectar outro fóton. A altura do sinal térmico é proporcional à energia do fóton, e a constante de tempo depende da capacidade calorífica C do absorvedor e da condutância térmica G da ligação térmica fraca. Assim, é possível determinar com grande precisão a energia do fóton e seu tempo de chegada. A resposta a um único fóton é um decaimento exponencial, com uma constante de tempo τ = C/G e uma amplitude proporcional à energia do fóton (Fig. 2).


Fig. 2 - Pulso gerado no absorvedor pela chegada de um fóton, seguido pela exponencial decrescente que representa o sinal. Créditos: http://web.mit.edu/figueroagroup/ucal/ucal_basics/index.html

A resolução de energia no microcalorímetro vai depender da temperatura de transição T, da capacidade calorífica do absorvedor e do fator (alfa) e pode ser aproximada pela formula:

Com uma ótima precisão obtida na medida de temperatura com o TES, é possível ter uma ótima resolução de energia com o absorvedor. Com o TES operando em 100mK, o microcalorímetro apresenta uma resolução de energia de 1,4 eV, que é até 10 vezes melhor do que outros tipos de detectores de partículas.

SDO (Solar Dynamics Observatory, Observatório de Dinâmica Solar)

Em 11 de fevereiro de 2012, foi lançado o Solar Dynamics Observatory ao espaço, que é uma nave espacial semi-autônoma criada pela NASA com o objetivo de observar com maior precisão as atividades solares e suas influências na Terra.
O Sol emite luz em diversos comprimentos de onda diferentes, que incluem a luz visível, infravermelha, ultravioleta, raios-x e muitos outros. Cada um desses comprimentos de onda nos fornece informações sobre diferentes camadas da atmosfera solar e como geram impacto sobre todo o Sistema Solar. E o SDO permite observar uma gama muito grande de comprimentos de onda provenientes do Sol.
Para gerar fotografias do Sol a cada 0,75 s e enviar à Terra 1,5 Tb de dados por dia, o SDO é constituído de três equipamentos principais, cada um com uma função específica.

  • Atmospheric Imaging Assembly (AIA)

O AIA é uma bateria de quatro telescópios projetados para fotografar principalmente a camada mais externa do Sol, a corona, em todas as temperaturas de 20000 – 20000000 graus. AIA tem a capacidade de medir dez diferentes comprimentos de onda, sendo nove deles na faixa do ultravioleta extremo e um na faixa da luz visível. A altíssima resolução dos telescópios permite ver detalhes do Sol tão pequenos quanto 725 km de diâmetro (equivalente a olhar um fio de cabelo a 10 m de distância). AIA fornece oito imagens do Sol a cada 10 s, 24 horas por dia, todos os dias da semana.

  • Extreme Ultraviolet Variability Experiment (EVE)

O EVE é um conjunto de pequenos equipamentos com o objetivo de obter informações sobre os raios ultravioletas extremos (EUV) emitidos pelo Sol. EVE permitirá aos cientistas monitorarem as emissões EUV entre 0,1 e 105 nm com o tempo de resolução mais alta (10 segundos) e maior resolução espectral (melhor que 0,1 nm) já alcançada por um observatório espacial. EVE também mede a importante linha Lyman α em 121,6 nm, a linha mais brilhante no EUV. EVE irá coletar dados 24 horas por dia, sete dias por semana, oferecendo a primeira imagem completa das flutuações solares EUV que variam de acordo com fatores de 2-100 em escalas de tempo em minutos.

  • Helioseismic and Magnetic Imager (HMI)

O HMI vai mapear os campos magnéticos solares e as ondas sob a superfície visível do Sol (fotosfera). Medindo as frequências e a distribuição espacial das ondas que viajam através do Sol, HMI pode dar informações sobre a temperatura, composição química e pressão no interior do Sol. HMI irá fornecer as primeiras medições rápidas da intensidade e direção do campo magnético solar sobre o disco visível do sol.

Abaixo é apresentada uma figura (Fig. 3) divulgada pela NASA das imagens obtidas pelo SDO de vários comprimentos de onda emitidos pelo Sol nas suas várias camadas. E a segunda figura (Fig. 4) é uma comparação da resolução do SDO em relação a outros dois observatórios. A imagem a seguir ilustra as capacidades de resolução das naves espaciais SDO, STEREO, SOHO. O instrumento AIA do SDO (imagem à direita) tem o dobro da resolução de imagem do que STEREO (imagem do meio) e resolução de imagem quatro vezes maior do que o SOHO (imagem à esquerda). SDO tem uma imagem a cada segundo. Na melhor das hipóteses STEREO tem uma imagem a cada 3 minutos e SOHO tem uma imagem a cada 12 minutos.


Fig. 3 - Imagens do Sol feitas pelo telescópio SDO em diferentes comprimentos de onda. Créditos: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=sol-como-voce-nunca-viu-antes&id=010130130123


Fig. 4 - Comparação entre as resoluções das naves espaciais SDO, STEREO e SOHO. Créditos: http://sdo.gsfc.nasa.gov/mission/instruments.php

Referências

http://web.mit.edu/figueroagroup/ucal/index.html
http://www.nist.gov/pml/div686/devices/sensors.cfm
http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/temp.htm
http://www.if.ufrgs.br/~leila/termo.htm
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=sol-como-voce-nunca-viu-antes&id=010130130123
http://sdo.gsfc.nasa.gov/
http://www.fc.up.pt/fcup/contactos/teses/t_000355002.pdf
N. A. Millera, G. C. O’Neil, J. A. Beall, G. C. Hilton, K. D. Irwin, D. R. Schmidt, L. R. Vale, and J. N. Ullom - High resolution x-ray transition-edge sensor cooled by tunnel junction refrigerators - Applied Physics Letters, v. 92, 2008.

Licença

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