TERMOCUPLAS

CÁTEDRA: FÍSICA II ( Ingeniería Civil e Ingeniería Electromecánica)
LABORATORIO Nº1
TEMA: TERMOMETRÍA
NOMBRE DEL TRABAJO : Termometría
Temas asociados: Equilibrio térmico. Concepto de temperatura y su medición.
Termómetro de gas ideal. Temperatura en la escala de los gases perfectos. Escala
Celsius de temperatura. Tipos de termómetros.
OBJETIVOS DEL TRABAJO
1- Familiarizarse con diferentes dispositivos utilizados para la medición de
temperaturas.
2- Conocer las características de uso de cada tipo de termómetro: rango de
temperaturas, precisión, tipo de contacto térmico (volumétrico, superficial, a
distancia).
3- Reconocer los sistemas de adquisición de datos: visuales (termómetro de
mercurio), eléctricos (termopar básico y multímetro digital).
4- Examinar otras aplicaciones de la medida de temperatura: psicrometría,
análisis térmico de materiales, balance radiativo de la tierra. Etc.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
La temperatura de los cuerpos es un concepto que el hombre primitivo captó a través
de sus sentidos. Si tocamos dos piedras iguales, una a la sombra y otra expuesta al
sol, las encontramos diferentes. Tienen algo distinto que detecta nuestro tacto, la
temperatura. La temperatura no depende de si la piedra se desplaza o de si está
quieta y tampoco varía si se fragmenta. Las primeras valoraciones de la temperatura
dadas a través del tacto son simples. De una sustancia sólo podemos decir que esta
caliente, tibia (caliente como el cuerpo humano), templada (a la temperatura del
ambiente), fría y muy fría.
Con el diseño de aparatos se pudieron establecer escalas para una valoración más
precisa de la temperatura.
El primer termómetro (vocablo que proviene del griego thermes y metron, medida del
calor) se atribuye a Galileo que diseñó uno en 1592 con un bulbo de vidrio del tamaño
de un puño y abierto a la atmósfera a través de un tubo delgado. Para evaluar la
temperatura ambiente, calentaba con la mano el bulbo e introducía parte del tubo
(boca abajo) en un recipiente con agua coloreada. El aire circundante, más frío que la
mano, enfriaba el aire encerrado en el bulbo y el agua coloreada ascendía por el tubo.
La distancia entre el nivel del líquido en el tubo y en el recipiente se relacionaba con la
diferencia entre la temperatura del cuerpo humano y la del aire. Si se enfriaba la
habitación. el aire se contraía y el nivel del agua ascendía en el tubo. Si se calentaba
el aire en el tubo, se dilataba y empujaba el agua hacia abajo
Las variaciones de presión atmosférica que soporta el agua pueden hacer variar el
nivel del líquido sin que varíe la temperatura. Debido a este factor las medidas de
temperatura obtenidas por el método de Galileo tienen errores. En 1644 Torricelli
estudió la presión y construyó el primer barómetro para medirla.
En 1641, el Duque de Toscana, construye el termómetro de bulbo de alcohol con
capilar sellado, similar a los que se pueden ver actualmente. Para la construcción de
estos aparatos fue fundamental el avance de la tecnología en el trabajo del vidrio. A
mediados del XVII.
Con el pasar del tiempo, se descubrió, pese a la engañosa evidencia de nuestros
sentidos, que todos los cuerpos expuestos a las mismas condiciones de calor o de frío
alcanzan la misma temperatura (ley del equilibrio térmico). Al descubrir esta ley se
introduce por primera vez una diferencia clara entre calor y temperatura. Todavía hoy y
para mucha gente estos términos no están muy claros. La temperatura es una
magnitud que refleja la capacidad de un cuerpo para ceder energía calorífica y el calor
es la energía que pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos
cuerpos que están a diferentes temperaturas).
Los termómetros tuvieron sus primeras aplicaciones prácticas en Meteorología, en
Agricultura (estudio de la incubación de huevos), en Medicina (fiebres), etc., pero las
escalas eran arbitrarias: "estaba tan caliente como el doble del día más caliente del
verano" o tan fría como "el día más frío del invierno".
En 1717 Fahrenheit, un germano-holandés fabricante de instrumentos técnicos,
construyó e introdujo el termómetro de mercurio con bulbo (usado todavía hoy) y tomó
como puntos fijos: el de congelación de una disolución saturada de sal común en
agua, que es la temperatura más baja que se podía obtener en un laboratorio,
mezclando hielo o nieve y sal; y la temperatura del cuerpo humano. Dividió la distancia
que recorría el mercurio en el capilar entre estos dos estados en 96 partes iguales.
Fahrenheit, finalmente, ajustó la escala para que el punto de congelación del agua (0
ºC en la escala Celsius) fuera de 32 ºF y la temperatura de ebullición del agua de 212
ºF. La escala Fahrenheit se usa todavía en los países anglosajones.
En 1740, Celsius, científico sueco de Upsala, propuso los puntos de fusión y ebullición
del agua al nivel del mar (P=1 atm) como puntos fijos y una división de la escala en
100 partes (grados). Como en Suecia interesaba más medir el grado de frío que el de
calor le asignó el 100 al punto de fusión del hielo y el 0 al del vapor del agua en la
ebullición. Más tarde el botánico y explorador Linneo invirtió el orden y le asignó el 0 al
punto de congelación del agua.Esta escala, se llamó centígrada.
La escala Kelvin tiene como referencia la temperatura más baja del cosmos.
Actualmente en las industrias se utiliza, para medir temperaturas, las termocuplas.
Una termocupla es un transductor de temperatura, es decir, un dispositivo que traduce
una magnitud física en una señal eléctrica. Está compuesta por dos alambres de
metales diferentes, los que unidos convenientemente generan entre sus extremos
libres una diferencia de potencial proporcional a la diferencia de temperatura entre
ellos. Su funcionamiento, se basa en un descubrimiento hecho por Seebeck en 1821:
si se sueldan dos metales diferentes, cuyos extremos están a distintas temperaturas,
aparece una f.e.m. (llamada f.e.m Seebeck)
Posteriormente, se mostró que esta f.e.m proviene en realidad de dos efectos
diferentes: Uno resultante sólo del contacto entre dos metales disímiles y la
temperatura de dicha unión.
Este es el llamado “Efecto Peltier” y es debido a la difusión de electrones desde el
conductor con mayor densidad electrónica al de menor densidad.
Otro, debido a los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores en el
circuito. Este es el llamado “Efecto Thompson” y es debido al flujo de calor entre los
extremos de los conductores, que es transportado por los electrones, induciendo
entonces una f.e.m. entre los extremos de los mismos.
Tipos de Termocuplas
Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras elaboradas por el
Instrument Society of America (ISA).
Entre ellas se encuentra la termocupla Tipo K (NiCr Ni)
La termocupla Tipo K se la conoce también como la termocupla Chromel-Alumel
(marcas registradas de Hoskins Manufacturing Co., EE.UU.). El Chromel es una
aleación de aproximadamente 90% de níquel y 10% de cromo, el Alumel es una
aleación de 95% de níquel, más aluminio, silicio y manganeso. La Tipo K es la
termocupla que más se utiliza en la industria, debido a su capacidad de resistir
mayores temperaturas que la termocupla Tipo J.
Las termocuplas Tipo K pueden utilizarse en forma continua en atmósferas oxidantes e
inertes hasta 1.260º C y constituyen el tipo más satisfactorio de termocupla para uso
en atmósferas reductoras o sulfurosas o en vacío.
Otro tipo de termómetro utilizado para determinar temperaturas superficiales o remotas
es el termómetro infrarrojo.
Con un termómetro infrarrojo portátil, como el
que se observa en la imagen, el usuario
apunta el instrumento hacia el objeto y aprieta
el gatillo para ver la temperatura.
Los termómetros infrarrojos varían en forma,
tamaño, y funcionalidad. Sin embargo, todos
ellos proveen importantes ventajas por sobre
las técnicas de medición de temperatura en
superficies.
Estas ventajas incluyen la no necesidad de contacto, alta exactitud, un amplio rango
de medida, y una rápida determinación de la temperatura.
Para entender los beneficios de los termómetros Infrarrojos, es importante entender
cómo funcionan. Todos los objetos emiten energía infrarroja. Cuanto más caliente está
un objeto, más activas están sus moléculas, y más energía infrarroja emite. Los
termómetros infrarrojos captan la energía infrarroja emitida por un objeto y enfocan la
energía hacia un detector. El detector entonces convierte la energía en una señal
eléctrica, que es amplificada y mostrada como una lectura de temperatura.
MATERIALES UTILIZADOS
Termocupla tipo K
Multimetro o Tester
Termómetro de Hg
Termómetro infrarrojo
Hielo
Agua hirviendo
DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA
Medir la temperatura de diferentes puntos fijos: (punto de ebullición del agua, punto de
fusión del hielo, temperatura del cuerpo humano, temperatura ambiente) con un
termómetro de mercurio y compararlos con un termómetro infrarrojo y con una
termocupla tipo K.
Determinar el voltaje (en mV) que corresponde para cada uno de esos 4 puntos fijos
(también medir para 50ºC, 60ºC, 70ºC y 80ºC).
Volcar los datos en una tabla.
Comparar
con
los
datos
obtenidos
de
bibliografía
(www.temperatures.com/tctables.html)
Utilizando el ajuste de gráficas encuentre la ecuación lineal que representa
Temp.
Volt vs.
Para la temperatura del cuerpo humano, calcular el error absoluto, relativo y
porcentual del termómetro infrarrojo tomando como valor correcto el valor dado por el
termómetro de Hg.
Para la temperatura del cuerpo humano, calcular el error absoluto, relativo y
porcentual del termómetro de termocupla K tomando como valor correcto el valor dado
por el termómetro de Hg.