CÁTEDRA: FÍSICA II ( Ingeniería Civil e Ingeniería Electromecánica)

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
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Termocupla tipo K
Multimetro o Tester
Termómetro de Hg
Termómetro infrarrojo
Hielo
Agua hirviendo
Termómetro Infrarrojo
termocupla y Tester
Termómetros de mercurio
DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA
Determine 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 compárelos con un termómetro infrarrojo y con una termocupla tipo K.
Obtenga el voltaje (en mV) que corresponde para cada uno de esos 4 puntos fijos. Utilizar
para ello una Tabla Temp-mV para una termocupla tipo K. En caso necesario interpolar los
valores. Volcar los datos en una tabla.
www.temperatures.com/tctables.html
Con los datos de la tabla realice un gráfico de Voltaje vs. Temperatura.
Utilizando el ajuste de gráficas encuentre la ecuación que representa Volt vs. Temp.
Calcular el error absoluto, relativo y porcentual del termómetro infrarrojo tomando como
valor más probable el valor dado por el termómetro de Hg.
Calcular el error absoluto, relativo y porcentual del termómetro de termocupla K tomando
como valor más probable el valor dado por el termómetro de Hg.