Termômetro

Embora um termômetro isolado possa comparar estados mais quentes e mais frios, as leituras de dois termômetros não podem ser comparadas numericamente a menos que sigam uma escala comum ou que se conheça a relação entre suas escalas. Existe uma escala absoluta de temperatura termodinâmica. As escalas de temperatura acordadas internacionalmente são formuladas para se aproximar dela por meio de pontos fixos e termômetros de interpolação.

A Escala Internacional de Temperaturas de 1990, ou ITS-90, começa em 0,65 K e se estende às temperaturas mais altas que possam ser medidas por termometria de radiação. Acima do ponto de solidificação da prata, a 961,78 °C, sua realização usa a lei de Planck e a comparação com a radiação de um corpo negro em um ponto fixo. O ponto de solidificação do cobre, a 1.357,77 K, é uma dessas referências, não o limite superior da escala.

Os pontos de fusão e solidificação da tabela correspondem à pressão de 101.325 Pa. Um ponto triplo é a condição em que as fases sólida, líquida e gasosa coexistem em equilíbrio.

Desde 20 de maio de 2019, o kelvin é definido pelo valor fixado da constante de Boltzmann, e não pelo ponto triplo da água. Os valores atribuídos aos pontos fixos da ITS-90 são convencionais e não devem ser confundidos com a definição da unidade.

Registros históricos escassos e contraditórios tornam difícil atribuir com certeza a invenção do termômetro a uma única pessoa ou data. Desenvolvimentos ocorreram em paralelo, e o instrumento recebeu aperfeiçoamentos graduais. Sua história é a de uma tecnologia em evolução, e não a de uma única invenção.

Desenvolvimentos antigos

Dispositivos e ideias da pneumática na Antiguidade deram inspiração à invenção do termômetro durante o Renascimento.

Filão de Bizâncio

No século III a.C., Filão de Bizâncio registrou um experimento com um tubo cuja extremidade era mergulhada em um recipiente com líquido e cuja outra extremidade se ligava a uma esfera oca e hermeticamente fechada. Quando o ar da esfera era aquecido por uma vela ou pela exposição ao Sol, ele se expandia, saía da esfera e produzia bolhas no recipiente. Quando o ar da esfera esfriava, formava-se um vácuo parcial que puxava o líquido para dentro do tubo. As mudanças na posição do líquido mostravam se o ar dentro da esfera estava ficando mais quente ou mais frio.

Traduções do experimento de Filão a partir do grego antigo foram usadas por Robert Fludd por volta de 1617 e serviram de base para seu termômetro de ar.

Heron de Alexandria

Em seu livro Pneumatics, Heron de Alexandria, que viveu entre 10 e 70 d.C., apresenta instruções para construir uma "fonte que goteja pela ação dos raios solares". O aparelho era uma versão mais elaborada do experimento pneumático de Filão, mas funcionava pelo mesmo princípio, aquecer e resfriar o ar para movimentar água. Traduções da antiga obra Pneumatics chegaram à Itália no fim do século XVI e foram estudadas por autores como Galileu Galilei, que já a havia lido em 1594.

Primeira escala de temperatura com um ponto fixo

O médico greco-romano Cláudio Galeno introduziu dois conceitos usados no desenvolvimento de uma escala de temperatura e na invenção do termômetro. Primeiro, propôs que o grau de quente ou frio poderia ser medido por "graus de calor e frio". Também concebeu uma temperatura fixa de referência, uma mistura de quantidades iguais de gelo e água fervente, com quatro graus de calor acima desse ponto e quatro graus de frio abaixo. No século XVI, o médico Johann Hasler desenvolveu escalas de temperatura corporal baseadas na teoria dos graus de Galeno para ajudá-lo a misturar a quantidade adequada de medicamentos para os pacientes.

Desenvolvimentos do fim do Renascimento

Termoscópio

No fim do século XVI e no início do século XVII, cientistas europeus, entre eles Galileu Galilei e o fisiologista italiano Santorio Santorio, desenvolveram aparelhos com um bulbo de vidro cheio de ar, ligado a um tubo parcialmente preenchido com água. À medida que o ar do bulbo aquecia ou esfriava, a altura da coluna de água no tubo diminuía ou aumentava. O observador podia comparar a altura da água naquele momento com alturas anteriores e detectar mudanças no estado térmico do bulbo e de seu ambiente imediato. Os modelos sem uma escala que atribuísse um valor numérico à altura do líquido são chamados de termoscópios, pois tornavam observáveis as mudanças de quente e frio. O conceito de temperatura usado na física ainda não havia surgido.

Termômetro de ar

A diferença entre um termoscópio e um termômetro é que este último possui uma escala.

"Um termômetro é simplesmente um termoscópio com uma escala. [...] Proponho considerar axiomático que um 'metro' deve ter uma escala ou algo equivalente. [...] Se isso for admitido, o problema da invenção do termômetro se torna mais simples. O da invenção do termoscópio permanece tão obscuro quanto antes."
W. E. K. Middleton, A history of the thermometer and its use in meteorology.

Com base nessa distinção, Middleton apontou como possíveis inventores do termômetro Galileu, Santorio, o inventor neerlandês Cornelius Drebbel e o matemático britânico Robert Fludd. Embora Galileu seja frequentemente apresentado como inventor do termômetro, não existe documento preservado que mostre que ele tenha produzido um instrumento graduado desse tipo.

O primeiro diagrama claro de um termoscópio foi publicado em 1617 por Giuseppe Biancani, que viveu de 1566 a 1624. Santorio Santorio publicou ilustrações de instrumentos graduados em 1625. O instrumento consistia em um tubo vertical, fechado na parte superior por um bulbo de ar, com a extremidade inferior aberta dentro de um recipiente com água. O nível da água no tubo era controlado pela expansão e contração do ar. O aparelho corresponde ao que se chama de termômetro de ar.

Criação do termo termômetro

A palavra termômetro, em sua forma francesa, apareceu pela primeira vez em 1624 em La Récréation Mathématique, de Jean Leurechon, que apresenta um instrumento com uma escala de oito graus. A palavra vem do grego antigo θερμός, thermós, "quente", e μέτρον, métron, "medida".

Termômetro selado de líquido em vidro

Os modelos abertos tinham a desvantagem de também funcionarem como barômetros, pois eram sensíveis à pressão do ar. Em 1629, Joseph Solomon Delmedigo, aluno de Galileu e Santorio em Pádua, publicou o que parece ser a primeira descrição e ilustração de um termômetro selado de líquido em vidro. O instrumento tinha um bulbo na parte inferior de um tubo selado, parcialmente preenchido com conhaque. O tubo possuía uma escala numerada. Delmedigo não afirmou ter inventado o aparelho e também não indicou outra pessoa como seu inventor. Por volta de 1654, Fernando II de Médici, grão-duque da Toscana, que viveu de 1610 a 1670, produziu um instrumento desse tipo, baseado na expansão de um líquido e independente da pressão do ar. Outros cientistas experimentaram com líquidos e projetos diferentes de termômetro. Cada inventor e cada termômetro, porém, usava uma solução própria, sem uma escala padronizada.

Primeiras tentativas de padronização

As primeiras tentativas de padronização acrescentaram um único ponto de referência, como o ponto de congelamento da água. A introdução de duas referências para graduar o termômetro costuma ser atribuída a Joachim Dalencé em 1668, embora Christiaan Huygens, que viveu de 1629 a 1695, já tivesse sugerido em 1665 o uso de graduações baseadas nos pontos de fusão e de ebulição da água como padrões. Em 1694, Carlo Rinaldini, que viveu de 1615 a 1698, propôs usá-los como pontos fixos em uma escala universal dividida em graus. Em 1701, Isaac Newton, que viveu de 1642 a 1726 ou 1727, propôs uma escala de doze graus entre o ponto de fusão do gelo e a temperatura corporal.

Termometria de precisão

Em 1714, o cientista e inventor Daniel Gabriel Fahrenheit criou um termômetro confiável que usava mercúrio em vez de misturas de álcool e água. Em 1724, propôs uma escala de temperatura que, com pequenos ajustes, passou a levar seu nome. Em 1742, Anders Celsius, que viveu de 1701 a 1744, propôs uma escala com zero no ponto de ebulição e 100 graus no ponto de congelamento da água. A escala que leva seu nome tem esses pontos na ordem inversa. Em 1730, o entomologista francês René-Antoine Ferchault de Réaumur apresentou uma escala de temperatura para um termômetro de álcool.

Herman Boerhaave, que viveu de 1668 a 1738, usou medições com termômetro na prática clínica. Em 1866, sir Thomas Clifford Allbutt, que viveu de 1836 a 1925, inventou um termômetro clínico capaz de fornecer uma leitura da temperatura corporal em cinco minutos, em vez de vinte.

Os termômetros tradicionais de indicação direta não conservavam a leitura depois que o instrumento era levado para um lugar com temperatura diferente. Para determinar a temperatura de uma panela com líquido quente, era necessário manter o termômetro no líquido até depois da leitura. Se um termômetro sem retenção fosse retirado, a temperatura indicada começaria a mudar para acompanhar as novas condições, neste caso a temperatura do ar. Termômetros com retenção da leitura permitem que o instrumento seja retirado e lido mais tarde ou em um local mais conveniente. Modelos mecânicos mantêm a maior ou a menor temperatura atingida até serem reiniciados manualmente, como ao sacudir um termômetro clínico de mercúrio em vidro, ou até que seja atingida uma temperatura ainda mais extrema. Termômetros registradores eletrônicos podem ser programados para armazenar a maior ou a menor temperatura atingida, ou para registrar a temperatura em um momento determinado.

No termômetro de máxima e mínima de Six, um tubo em U contém mercúrio e álcool. A expansão e a contração do álcool deslocam o mercúrio, que empurra indicadores nos dois ramos do tubo. Os indicadores permanecem nas posições extremas alcançadas, mesmo quando a temperatura volta a mudar. Nos modelos tradicionais, um ímã os devolve à posição inicial.

Os termômetros também usam meios eletrônicos para apresentar uma leitura digital ou fornecer dados a um computador. A expressão termômetro digital se refere à forma de processamento e apresentação da leitura, não a um único princípio de medição. O sensor pode ser um termístor, uma termorresistência de platina ou um termopar. Sistemas de aquisição de dados podem guardar as leituras com seus horários e acompanhar a variação da temperatura.

Os termômetros podem ser empíricos ou absolutos. Termômetros absolutos fornecem temperaturas na escala termodinâmica absoluta. Em geral, as leituras numéricas dos termômetros empíricos não precisam coincidir exatamente com as dos termômetros absolutos. Para que funcionem como termômetros, porém, eles precisam concordar com os absolutos e entre si em um aspecto: dados dois corpos isolados, cada um em seu próprio estado de equilíbrio termodinâmico, todos os termômetros devem concordar sobre qual dos dois tem a temperatura mais alta, ou que as temperaturas são iguais. Para quaisquer dois termômetros empíricos, isso não exige que a relação entre suas leituras numéricas seja linear, mas exige que ela seja estritamente monótona. Essa propriedade é fundamental para a temperatura e para os termômetros.

Na formulação comum dos livros-texto, a lei zero da termodinâmica, tomada isoladamente, estabelece a equivalência dos estados em equilíbrio térmico, mas não basta para ordenar esses estados do mais frio ao mais quente. A formulação dada por James Serrin em 1977, embora matematicamente abstrata, é mais informativa para a termometria: "Lei zero: existe uma linha topológica que é uma variedade de coordenadas do comportamento material. Os pontos da variedade são chamados de 'níveis térmicos', e é chamada de 'variedade universal dos níveis térmicos'." A essa formulação é preciso acrescentar um sentido de maior temperatura. A lei de deslocamento de Wien relaciona essa ordenação ao espectro da radiação térmica de corpo negro. A temperatura de um banho de radiação de corpo negro em equilíbrio térmico é proporcional, por uma constante universal, à frequência do máximo de sua distribuição espectral por unidade de frequência. Para temperaturas positivas, essa frequência é positiva e tende a zero quando a temperatura se aproxima do zero absoluto. O princípio de Planck estabelece uma restrição para sistemas termodinâmicos simples. Uma transformação adiabática entre estados com as mesmas coordenadas de trabalho, como o volume, não pode diminuir a energia interna. Quando a capacidade térmica é positiva e não há mudança de fase com calor latente, o aumento da energia interna a volume constante corresponde a uma elevação da temperatura.

Os termômetros empíricos podem ser construídos com diferentes princípios, apresentados na seção "Termômetros primários e secundários". Parte deles se baseia na relação constitutiva entre o estado de um material escolhido e sua temperatura. Apenas certos materiais são adequados para esse fim e podem ser chamados de "materiais termométricos". A termometria radiométrica de corpo negro depende pouco das relações constitutivas dos materiais. Seu caráter universal decorre da distribuição espectral da radiação em equilíbrio termodinâmico, que depende da temperatura, e não da composição das paredes de uma cavidade ideal.

Materiais termométricos

Termômetros empíricos podem usar propriedades diferentes dos materiais.

Parte deles se baseia na relação constitutiva entre pressão, volume e temperatura do material termométrico. O mercúrio, por exemplo, se expande quando aquecido.

Quando um material termométrico é usado por sua relação entre pressão, volume e temperatura, procuram-se três propriedades:

1. O aquecimento e o resfriamento devem permitir que o material atinja o equilíbrio rapidamente. Quando uma quantidade de calor entra ou sai de um corpo feito desse material, ele deve alcançar o volume, a pressão e a temperatura correspondentes ao novo estado sem atraso excessivo. Na formulação clássica, o calor trocado pode ser separado em parcelas relacionadas à mudança de volume a temperatura constante e à mudança de temperatura a volume constante. A primeira envolve o coeficiente historicamente chamado de "calor latente de expansão", e a segunda, a capacidade térmica a volume constante. Certos materiais levam algum tempo para ajustar suas propriedades ao novo estado.
2. As mudanças das propriedades devem ser reversíveis. Depois de ciclos de aquecimento e resfriamento, o material deve retornar à pressão, ao volume e à temperatura originais, sem alterações permanentes que mudem a calibração. Alguns plásticos não apresentam essa propriedade.
3. A propriedade escolhida deve variar de forma monótona com a temperatura em toda a faixa de utilização.

   A pressão constante, o volume deve aumentar continuamente com a temperatura ou diminuir continuamente com ela. Não pode aumentar em uma parte da faixa e diminuir em outra.

   Se a medição for feita a volume constante, a mesma condição se aplica à pressão: ela deve aumentar continuamente com a temperatura ou diminuir continuamente com ela.

Em torno de 4 °C, a água a pressão atmosférica não apresenta a terceira propriedade quando se usa seu volume, pois sua densidade passa por um máximo. A água não pode ser usada dessa maneira em uma faixa que atravesse esse ponto.

Gases suficientemente diluídos apresentam um comportamento próximo ao de um gás ideal, com aumento do volume a pressão constante ou da pressão a volume constante quando a temperatura aumenta. Essas propriedades explicam seu uso no desenvolvimento da termometria.

Termometria a volume constante

Preston escreveu que Regnault considerava insatisfatórios os termômetros de ar a pressão constante porque exigiam correções trabalhosas. Regnault construiu então um termômetro de ar a volume constante. Manter o volume constante, por si só, não garante que qualquer material apresente uma relação monótona entre pressão e temperatura. A escolha da substância e da faixa de operação permanece necessária.

No limite de gás ideal, a relação permite obter a temperatura pela pressão, quando a quantidade de gás e o volume são mantidos constantes. Nessa expressão, é a pressão, o volume, a quantidade de matéria, a constante dos gases e a temperatura absoluta. A pressão constante, o volume pode ser usado como grandeza termométrica. Nos termômetros de interpolação com hélio usados na ITS-90, a relação entre pressão e temperatura é calibrada em pontos fixos, com correções para o comportamento não ideal do gás.

Termometria radiométrica

A lei de Planck fornece a distribuição espectral da radiação de corpo negro em função da temperatura termodinâmica absoluta. Uma cavidade de paredes opacas, mantidas em equilíbrio térmico, permite uma aproximação experimental desse comportamento. Um orifício suficientemente pequeno na parede emite radiação próxima à de um corpo negro, cuja radiância espectral pode ser medida. Na realização prática, entram na avaliação a temperatura das paredes, a geometria da cavidade e sua emissividade efetiva.

Um termômetro é chamado de primário ou secundário conforme a maneira como a grandeza física que ele mede é relacionada à temperatura. Nos termômetros primários, a relação entre a grandeza medida e a temperatura é dada por um modelo físico bem estabelecido, sem parâmetros desconhecidos ou com dependência de temperatura insuficientemente conhecida. Entre os exemplos estão termômetros baseados na equação de estado de um gás, na velocidade do som em um gás, na tensão ou corrente de ruído térmico de um resistor elétrico e na anisotropia angular da emissão de raios gama por certos núcleos radioativos em um campo magnético.

A termometria primária pode ser absoluta ou relativa. Na modalidade absoluta, não é necessário usar um ponto fixo de temperatura conhecida. Na relativa, a temperatura é obtida em relação a uma ou mais temperaturas termodinâmicas de referência.

Os termômetros secundários são mais usados por sua praticidade e frequentemente têm sensibilidade maior que os primários. Neles, conhecer a propriedade medida não basta para calcular diretamente a temperatura. É necessário calibrá-los com referência a um termômetro primário, diretamente ou por uma cadeia de calibrações, em pelo menos uma temperatura ou em um conjunto de temperaturas fixas. Pontos fixos, como pontos triplos e transições supercondutoras, podem ser reproduzidos sob condições especificadas.

Termômetros podem ser calibrados por comparação com outros termômetros calibrados ou pela verificação em pontos fixos conhecidos da escala de temperatura. Os pontos fixos mais conhecidos são os pontos de fusão e de ebulição da água pura. Como o ponto de ebulição da água varia com a pressão, essa grandeza precisa ser controlada.

O método tradicional para graduar um termômetro de líquido em vidro ou de líquido em metal tinha três etapas:

1. Mergulhar a parte sensível em uma mistura agitada de gelo puro e água à pressão atmosférica e marcar o ponto indicado depois que o equilíbrio térmico fosse atingido.
2. Mergulhar a parte sensível em um banho de vapor à pressão atmosférica padrão e marcar novamente o ponto indicado.
3. Dividir a distância entre as duas marcas em partes iguais conforme a escala de temperatura adotada.

Outros pontos fixos usados no passado eram a temperatura corporal de um homem adulto saudável, adotada originalmente por Fahrenheit como seu ponto fixo superior. Fahrenheit lhe atribuiu o valor 96 em sua escala, número divisível por 12, correspondente a cerca de 35,6 °C na conversão da escala posterior. O outro ponto era a menor temperatura obtida por uma mistura de sal e gelo, à qual foi atribuído o zero da escala Fahrenheit, correspondente a cerca de −17,8 °C. Essa mistura é um exemplo de mistura frigorífica. Como a temperatura corporal varia, a escala Fahrenheit foi modificada para usar como ponto fixo superior a ebulição da água, a 100 °C, valor 212 na escala Fahrenheit.

Esses pontos deram lugar, na realização das escalas internacionais, aos pontos definidores da Escala Internacional de Temperaturas de 1990. Em verificações correntes, o ponto de fusão da água é usado com mais frequência que seu ponto triplo, pois este último exige preparação mais cuidadosa e é usado em medições de maior exigência metrológica. Fabricantes costumam usar um banho com termostato ou um bloco sólido cuja temperatura é mantida constante e medida por um termômetro calibrado. Os termômetros que serão calibrados são colocados no mesmo banho ou bloco e deixados até atingir o equilíbrio. A escala é então marcada ou o desvio em relação à escala do instrumento é registrado. Em dispositivos eletrônicos, a calibração frequentemente determina coeficientes usados no processamento do sinal elétrico para convertê-lo em temperatura.

A calibração estabelece a relação entre as indicações do instrumento e valores de referência, com suas incertezas de medição. Ela não é sinônimo de ajuste do instrumento e não torna a indicação perfeitamente exata, nem mesmo nos pontos usados para calibrá-lo.

A resolução de um termômetro corresponde à menor mudança de temperatura que produz uma alteração perceptível na indicação. Em trabalhos com temperaturas altas, a resolução pode ser de 10 °C ou mais. Termômetros clínicos e termômetros eletrônicos de uso corrente normalmente permitem leituras em incrementos de 0,1 °C. Instrumentos especializados podem distinguir variações de um milésimo de grau. Isso não significa que a leitura seja igualmente exata.

A precisão é a concordância entre resultados de medições repetidas sob condições especificadas. A exatidão expressa a proximidade entre um valor medido e o valor verdadeiro da grandeza. Um instrumento pode apresentar pouca dispersão e, ainda assim, ter um erro sistemático. O número de casas decimais do visor não determina nenhuma dessas propriedades.

O desenvolvimento da tecnologia de medição de temperatura levou à criação das escalas de temperatura. Entre pontos fixos de calibração, usa-se interpolação, que pode ser linear ou seguir uma função própria do sensor. Isso pode produzir diferenças entre tipos de termômetro em pontos distantes dos pontos fixos. A expansão do mercúrio em um termômetro de vidro, por exemplo, difere ligeiramente da mudança de resistência de uma termorresistência de platina. Se os dois instrumentos forem graduados por uma mesma interpolação linear entre 0 e 100 °C, poderão divergir por volta de 50 °C. Imperfeições no instrumento também podem causar diferenças. Em um termômetro de líquido em vidro, isso ocorre, por exemplo, se o tubo capilar variar de diâmetro.

A repetibilidade avalia a concordância entre medições realizadas com o mesmo procedimento e sistema de medição, nas mesmas condições e em um intervalo curto. A reprodutibilidade abrange medições feitas sob condições modificadas, como diferentes instrumentos, operadores ou locais. Uma medição de temperatura reprodutível permite comparações em experimentos científicos e consistência em processos industriais. Leituras estáveis podem ser comparadas mesmo quando há um pequeno desvio comum em relação à escala de referência, desde que esse desvio e a incerteza sejam considerados.

Um exemplo de termômetro de referência usado para verificar outros instrumentos em relação a padrões industriais é uma termorresistência de platina com leitura digital de 0,1 °C, calibrada em cinco pontos contra padrões nacionais, −18, 0, 40, 70 e 100 °C, e comercializada com especificação de exatidão de ±0,2 °C. A resolução do visor, a tolerância declarada e a incerteza da calibração são informações distintas.

A norma britânica BS 1041-2.1:1985 aborda a seleção e o uso de termômetros de líquido em vidro. A incerteza alcançável depende do instrumento e das condições de calibração. No serviço de calibração apresentado pelo NIST em 1988, termômetros de mercúrio em vidro de imersão total, com divisões de 0,1 a 0,2 °C, tinham incertezas típicas de 0,03 a 0,05 °C na faixa de 0 a 100 °C.

Condições de medição

Em termômetros de contato, o sensor precisa se aproximar da temperatura do meio medido. A condução de calor pela haste e pelos fios pode afastar a leitura desse valor. Em sondas elétricas de imersão, esse erro geralmente diminui quando uma extensão maior da sonda fica dentro do meio, respeitadas as condições de uso do instrumento.

Nos termômetros de líquido em vidro, é necessário respeitar a condição de imersão prevista para o instrumento, como imersão total ou parcial. Uma profundidade diferente da especificada pode alterar a leitura, pois a temperatura da coluna de líquido fora do meio medido também interfere na indicação.

A leitura também demora a acompanhar uma mudança de temperatura. O tempo de resposta é o intervalo necessário para a indicação atingir e permanecer próxima do valor final após uma mudança abrupta. Esse intervalo depende da construção do sensor e da troca de calor com o meio. Em termômetros resistivos, a própria corrente de medição produz calor por efeito Joule e pode elevar a temperatura do sensor. Esse autoaquecimento precisa ser limitado ou corrigido.

Dilatação térmica

Usa a dilatação térmica das fases da matéria.

Pares de metais sólidos com coeficientes de dilatação diferentes podem ser usados em termômetros mecânicos bimetálicos. Como as duas lâminas estão unidas, a diferença de dilatação provoca uma curvatura que pode mover um ponteiro ou acionar um contato elétrico. Outro projeto baseado nesse princípio é o termômetro de Breguet.

Alguns líquidos têm coeficientes de dilatação relativamente altos em faixas úteis de temperatura e formam a base dos termômetros de álcool e de mercúrio. Nos modelos de líquido em vidro, a indicação depende da diferença entre a dilatação do líquido e a do próprio vidro. Outros projetos que usam esse princípio são o termômetro de reversão e o termômetro diferencial de Beckmann.

Gases também podem ser usados em um termômetro de gás.

Pressão

Termômetro de pressão de vapor.

Densidade

Termômetro de Galileu.

Termocromismo

Alguns compostos apresentam termocromismo em determinadas temperaturas. Ajustando as temperaturas de transição de fase de uma sequência de substâncias, a temperatura pode ser quantificada em incrementos discretos, uma forma de digitalização. Esse é o princípio de um termômetro de cristal líquido.

Termometria de borda de banda

A termometria de borda de banda, conhecida pela sigla BET, usa a dependência entre temperatura e lacuna de banda de materiais semicondutores para realizar medições ópticas de temperatura muito precisas, sem contato. Sistemas BET exigem um sistema óptico especializado e programas próprios de análise de dados.

Radiação térmica

Objetos acima do zero absoluto emitem radiação térmica. A radiação de corpo negro é o caso ideal, cujo espectro é dado pela lei de Planck e depende da temperatura de forma não linear. Essa propriedade é a base do pirômetro, do termômetro infravermelho e da termografia. Ela permite medir a temperatura à distância e dispensa contato ou proximidade imediata, ao contrário dos termômetros de contato. Na medição de objetos reais, é necessário considerar a emissividade e as características ópticas do instrumento. Entre os detectores possíveis estão os bolômetros, mas nem todo termômetro infravermelho é um bolômetro. Em temperaturas mais altas, a emissão térmica pode se tornar visível e ser caracterizada pela temperatura de cor. Isso ocorre, por exemplo, em um elemento de aquecimento incandescente e na aproximação da temperatura da superfície de uma estrela.

Fluorescência

Termometria de fósforo.

Espectros de absorbância óptica

Termômetro de fibra óptica.

Resistência elétrica

Termômetros de resistência, que usam materiais como a liga Balco e a platina. Na platina, a resistência elétrica aumenta com a temperatura. Um sensor Pt100 tem resistência nominal de 100 Ω a 0 °C. A ligação elétrica e a resistência dos fios também entram na medição.

Termístor.

Termômetro de bloqueio de Coulomb.

Potencial elétrico

Termopares são úteis desde temperaturas criogênicas até mais de 1.000 °C. A faixa de operação e o erro dependem do tipo de termopar, da calibração e das condições de uso. O sinal é produzido por condutores de materiais diferentes sujeitos a um gradiente de temperatura. Como a tensão depende das temperaturas da junção de medição e da junção de referência, esta última precisa ser conhecida ou compensada.

Sensores de temperatura de lacuna de banda de silício são encontrados com frequência em circuitos integrados acompanhados de um conversor analógico-digital e de uma interface como I²C. Há modelos comerciais que operam de −40 a 125 °C, com especificações de erro que podem ficar entre ±0,25 e 1 °C em parte da faixa. O desempenho depende do modelo e pode ser melhorado por seleção de componentes.

Ressonância elétrica

Termômetro de quartzo.

Ressonância magnética nuclear

O deslocamento químico depende da temperatura. Essa propriedade é usada para calibrar o termostato de sondas de ressonância magnética nuclear, normalmente com metanol ou etilenoglicol. Isso pode causar problemas para padrões internos cujo deslocamento químico costuma ser tomado como definido, por exemplo 0 ppm para o tetrametilsilano, embora na prática ele também dependa da temperatura.

Susceptibilidade magnética

Em materiais paramagnéticos e nas condições em que se aplica a lei de Curie, a susceptibilidade magnética varia inversamente com a temperatura absoluta. Essa dependência permite construir criômetros magnéticos. O comportamento depende do material e não deve ser confundido com uma regra universal para qualquer substância acima da temperatura de Curie.

Termômetros usam diferentes efeitos físicos para medir a temperatura. Sensores de temperatura são empregados em aplicações científicas e de engenharia, especialmente em sistemas de medição. Os sistemas de medição de temperatura são principalmente elétricos ou mecânicos. Em alguns instrumentos, como os de mercúrio em vidro, o sensor e o mecanismo de indicação fazem parte de uma mesma peça. Termômetros são instalados em estradas de regiões frias para ajudar a identificar condições de formação de gelo. Termístores são usados em sistemas de medição e controle de temperatura. Em ambientes internos, sensores de temperatura integram condicionadores de ar, congeladores, aquecedores, refrigeradores e aquecedores de água. Termômetros de Galileu são usados para medir a temperatura do ar em ambientes internos, devido à sua faixa de medição limitada.

Termômetros de cristal líquido, que usam cristais líquidos termocrômicos, também são empregados em anéis de humor e para medir a temperatura da água em aquários.

Sensores de temperatura de rede de Bragg em fibra foram desenvolvidos e testados para acompanhar temperaturas no núcleo de reatores nucleares.

Nanotermometria

A nanotermometria é um campo de pesquisa voltado ao conhecimento da temperatura em escala submicrométrica. A medição de objetos menores que um micrômetro exige métodos e materiais diferentes dos empregados em termômetros convencionais. Nanotermômetros são classificados em termômetros luminescentes, quando usam propriedades da emissão de luz para medir a temperatura, e não luminescentes, quando suas propriedades termométricas não têm relação direta com a luminescência.

Criômetro

Criômetros são termômetros usados especificamente para temperaturas baixas. Para a faixa de 0,9 mK a 1 K, a Escala Provisória de Baixas Temperaturas de 2000, ou PLTS-2000, relaciona a temperatura à pressão de fusão do hélio-3. Ela permite estender a termometria padronizada abaixo do limite inferior da ITS-90.

Medicina

• Termômetros de ouvido costumam ser termômetros infravermelhos.
• A medição na testa pode ser feita por tiras de cristal líquido ou por aparelhos infravermelhos sem contato. Estes medem a radiação da superfície da pele e usam essa leitura para a indicação clínica.
• Termômetros retais e orais foram tradicionalmente feitos com mercúrio. Modelos eletrônicos usam termístores NTC e apresentam a leitura em um visor digital.

Técnicas termométricas diferentes foram usadas na medicina, dos primeiros instrumentos de expansão térmica à termografia. Termômetros clínicos, como os de mercúrio em vidro, infravermelhos, ingeríveis e de cristal líquido, são usados em ambientes de assistência médica para verificar se uma pessoa está com febre ou hipotermia. Há também termômetros basais, destinados ao acompanhamento de pequenas variações da temperatura corporal.

Nos modelos infravermelhos de testa, a distância e o ângulo de medição, a exposição ao sol e as condições da superfície da pele podem alterar o resultado. A leitura depende das condições de uso especificadas para o aparelho.

Alimentos e segurança dos alimentos

Termômetros são usados na segurança dos alimentos para acompanhar a conservação e o preparo. Alimentos mantidos em faixas favoráveis ao crescimento bacteriano podem, depois de algumas horas, apresentar níveis de contaminação capazes de causar doenças transmitidas por alimentos. O controle inclui o monitoramento das temperaturas de refrigeração e a manutenção da temperatura de alimentos servidos sob lâmpadas de aquecimento ou em banhos de água quente.

Para alimentos que exigem controle de tempo e temperatura, o Food Code de 2022 da Food and Drug Administration estabelece, como regra geral de conservação, temperaturas de 5 °C ou menos, ou de 57 °C ou mais, com exceções para produtos e processos especificados. Esses limites de conservação não são fronteiras universais para o crescimento de microrganismos, cujo risco depende também do alimento e do tempo.

Termômetros culinários ajudam a determinar se um alimento foi cozido adequadamente. Termômetros de carne são usados para levar a carne a uma temperatura interna segura sem cozinhá-la em excesso. Costumam usar uma espiral bimetálica, um termopar ou um termístor com leitura digital. Termômetros para doces ajudam a atingir determinado teor de água em uma solução de açúcar a partir de sua temperatura de ebulição.

Ambientais

• Termômetro interno-externo, que permite consultar a temperatura de dois ambientes, com um sensor instalado fora do local de leitura.
• Medidor de calor, que usa medições de temperatura para determinar a taxa de transferência de calor.
• Termostatos, que podem usar lâminas bimetálicas ou sensores eletrônicos, como termístores.

Termômetros de álcool, infravermelhos, de mercúrio em vidro, registradores, termístores e termômetros de Six, também chamados de termômetros de máxima e mínima, são usados em meteorologia e climatologia em diferentes níveis da atmosfera e nos oceanos. Aeronaves fornecem medições da temperatura do ar ao longo da rota de voo e, quando equipadas com sensores de umidade, também do vapor de água. Essas observações são usadas em modelos de previsão do tempo. A avaliação do risco de formação de gelo na aeronave exige considerar, além da temperatura, a presença de gotas de água super-resfriada e suas características. Termômetros também são usados em estradas de regiões frias para ajudar a determinar se há condições de formação de gelo e, em ambientes internos, em sistemas de controle climático.

Na medição da temperatura do ar, a radiação solar pode aquecer o próprio sensor e produzir uma leitura acima da temperatura do ar. A ventilação e a proteção contra a radiação reduzem esse erro.

Um termo-higrômetro reúne sensores de temperatura e de umidade relativa do ar. Há modelos com sondas externas e memória para os valores máximos e mínimos.

O mercúrio tem propriedades que favoreceram seu emprego em termômetros de líquido em vidro, mas é tóxico. Quando um instrumento se rompe, o metal liberado pode contaminar o ambiente e produzir vapores prejudiciais à saúde. Há termômetros de vidro com líquidos sem mercúrio, assim como alternativas eletrônicas baseadas em termístores, termopares e sensores de resistência de platina. A escolha depende da faixa de temperatura, da incerteza requerida e das condições de medição.

O National Institute of Standards and Technology dos Estados Unidos encerrou a calibração de termômetros de mercúrio em 1 de março de 2011, mantendo os serviços para outros tipos de termômetro.

• Middleton, W. E. K. 1966. A history of the thermometer and its use in meteorology. Baltimore: Johns Hopkins Press. Reimpresso em 2002. ISBN 0-8018-7153-0.
• History of the Thermometer, versão arquivada em 2 de março de 2012.
• Thermometry at the Nanoscale, artigo de revisão.