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Uma Breve História do Sensor de Temperatura

História da Temperatura As sensações de calor e frio são fundamentais para a experiência humana, e mesmo assim, encontrar formas de medir a temperatura foi um desafio para muitas grandes mentes. Não temos informação sobre se os antigos gregos ou chineses conheciam formas de medir temperatura, então até onde sabemos, a história dos sensores de temperatura começou durante o Renascimento.

O Desafio da Medição

Robert Hooke
Robert Hooke
Ole Roemer
Ole Roemer
O calor é uma medida da energia em um corpo ou um material - quanto maior a energia, mais quente ele é. Mas diferentemente das propriedades físicas de massa e comprimento, foi difícil de chegar a ser medido. A maioria dos métodos era indireto, observando-se o efeito que o calor tinha em algo e deduzindo a temperatura a partir disso.

A criação de uma escala de medição também foi um desafio. Em 1664, Robert Hooke propôs que o ponto de congelamento da água fosse usado como o ponto zero, com as temperaturas sendo medidas a partir desse ponto. Aproximadamente na mesma época, Ole Roemer percebeu a necessidade de dois pontos fixos, permitindo a interpolação entre eles. Os pontos que ele escolheu foram o ponto de congelamento de Hooke e o ponto de fervura da água. Isso, é claro, deixa em aberto a questão de quão quentes ou frias as coisas podem ser.

Essa questão foi respondida por Gay-Lussac e outros cientistas que trabalhavam com as leis dos gases. Durante o século XIX, enquanto investigavam o efeito da temperatura em gás a uma pressão constante, eles perceberam que o volume cresce em uma fração de 1/267 por grau Celsius (o que depois foi revisado para 1/273,15). Isso levou ao conceito de zero absoluto a -273,15°C.

Observando a Expansão: Líquidos e Bimetais

Sabe-se que Galileo construiu um equipamento que mostrava mudanças na temperatura em algum momento próximo a 1592. Isso aparentemente usava a contração do ar em um recipiente para puxar uma coluna de água, sendo a altura da coluna usada para indicar a intensidade do resfriamento. Entretanto, era fortemente influenciado pela pressão do ar e acabou sendo pouco mais que uma simples novidade.

O termômetro como o conhecemos foi inventado em 1612 no que hoje em dia é a Itália por Santorio Santorii. Ele selou líquido dentro de um tubo de vidro, observando o quanto ele se movia para cima no tubo enquanto expandia. Uma escala no tubo facilitava a visualização das mudanças, mas o sistema não tinha unidades precisas.

Com Roemer, trabalhava Daniel Gabriel Fahrenheit. Ele começou fabricando termômetros, usando como líquido tanto álcool quanto mercúrio. Mercúrio é ideal, pois tem uma resposta muito linear à mudança de temperatura em um grande intervalo, mas a preocupação com a toxicidade levou a um uso reduzido. Outros líquidos foram desenvolvidos até hoje em dia para substituí-lo. Termômetros líquidos ainda são amplamente usados, apesar de que é importante controlar a profundidade até a qual o bulbo é submerso. O uso de uma cápsula termométrica ajuda a garantir uma boa transferência de calor.

O sensor de temperatura bimetálico foi inventado no final do século XIX. Ele utiliza a diferença na expansão de duas placas de metal unidas. As mudanças de temperatura criam uma curva que pode ser usada para ativar um termostato ou um medidor similar aos usados em grelhas a gás. A precisão é baixa, talvez mais ou menos 2 graus, mas esses sensores são baratos, e portanto têm muitas aplicações.
Galileu Galilei
Galileu Galilei
 
Santorio Santorii
Santorio Santorii
 
Placa do Túmulo de Daniel Gabriel Fahrenheit
Placa do Túmulo de Daniel Gabriel Fahrenheit

Efeitos Termoelétricos

No começo do século XIX, a eletricidade era uma área empolgante da pesquisa científica, e rapidamente os cientistas descobriram que os metais eram diferentes entre si quanto à resistência e condutividade. Em 1821, Thomas Johann Seebeck descobriu que a voltagem era criada quando as extremidades de metais diferentes eram unidas e colocadas a temperaturas diferentes. Peltier descobriu que esse efeito de termopar pode funcionar no sentido inverso, e assim, pode ser usado para esfriar.

No mesmo ano, Humphrey Davey demonstrou como a resistividade elétrica de um metal está relacionada a sua temperatura. Cinco anos depois, Becquerel propôs o uso de um termopar platina-platina para a medição de temperatura, mas foi só em 1829 que Leopoldi Nobili criou efetivamente o equipamento.

A platina também é usada no detector de temperatura de resistência (RTD, na sigla em inglês) inventado em 1932 por C.H. Meyers. Ele mede a resistência elétrica de um pedaço de fio de platina e é geralmente considerado o tipo mais preciso de sensor de temperatura. RTDs que usam fio são inerentemente frágeis e inadequados para aplicações industriais. Nos últimos anos tem sido desenvolvidos RTDs em película, que são menos precisos mas mais robustos.

No século XX também ocorreu a invenção dos equipamentos de medição de temperatura de semicondutor. Eles respondem a mudanças de temperatura com boa precisão, mas até recentemente lhes faltava linearidade.

Irradiação térmica

William Herschel
William Herschel
Samuel Langley
Samuel Langley
Metais muito quentes e fundidos brilham, emitindo calor e luz visível. Eles irradiam calor a baixas temperaturas também, mas com comprimento de onda maior. O astrônomo inglês William Herschel foi o primeiro a reconhecer, por volta de 1800, que essa luz escura ou infravermelha causava aquecimento. Trabalhando com seu compatriota Melloni, Nobili encontrou uma maneira de detectar essa energia irradiada conectando termopares em série, formando uma termopilha.

A isso se seguiu em 1878 o bolômetro. Inventado pelo estadunidense Samuel Langley, ele usava duas placas de platina, uma das quais era enegrecida, em uma disposição de ponte de Wheatstone. O aquecimento por radiação infravermelha causava uma modificação mensurável na resistência.

Escalas de Temperatura

Anders Celsius
Anders Celsius
Lord Kelvin
Lord Kelvin
Quando Fahrenheit estava fazendo termômetros, ele percebeu que precisava de uma escala de temperatura. Ele fixou o ponto de congelamento da água salgada a 30 graus e seu ponto de fervura 180 graus acima. Posteriormente foi decidido que se usaria água pura, que se congela a uma temperatura levemente maior, chegando-se ao congelamento a 32°F e à fervura a 212°F.

Um quarto de século depois, Anders Celsius propôs a escala de 0 a 100, que hoje leva seu nome. Depois, percebendo as vantagens de haver um ponto fixo no final da escala, William Thomson (posteriormente Lord Kelvin) propôs o uso do zero absoluto como ponto de início do sistema de Celsius. Isso levou à escala Kelvin, usada atualmente no ambiente científico.

Hoje em dia, as escalas de medição de temperatura estão definidas em um documento intitulado Escala Internacional de Temperatura 90, ou ITS-90, na sigla em inglês. Os leitores que desejarem checar ou entender melhor suas unidades de medição devem obter uma cópia.

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