UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica EXPERIENCIA Nº : 1 TÍTULO : TERMOMETRÍA ASIGNATURA : TER
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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica
EXPERIENCIA Nº : 1 TÍTULO : TERMOMETRÍA ASIGNATURA : TERMODINÁMICA 1
OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA 1.1
OBJETIVO GENERAL Conocer lo fundamentos de la termometría como actividad esencial de la termodinámica y los diferentes instrumentos utilizados para medir y registrar la temperatura.
1.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Comprender el principio de medición y de registro de diferentes instrumentos utilizados para medir y registrar la temperatura.
Conocer operativamente el manejo, uso práctico y limitaciones de diferentes tipos de termómetros.
Medir, registrar, comparar y evaluar temperaturas de sólidos, líquidos y gases, tomadas con los diferentes tipos de termómetros.
Obtener la curva temperatura = f(tiempo) del gradiente de calentamiento de una determinada masa de agua sometida al contacto de una fuente calórica.
2
INTRODUCCION TEÓRICA En todos los procesos termodinámicos resulta fundamental del poder determinar el valor de la temperatura de los cuerpos o sustancias de trabajo. La temperatura es una medida del calor o energía térmica de un cuerpo o sustancia. La temperatura a nivel molecular está relacionada con la energía media de las moléculas que componen una sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad, esto significa que hay un rango diferente de energía entre ellas. Por ejemplo, en un gas las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades, algunas se mueven rápido y otras más lentamente, al colisionar las que se mueven más deprisa transfieren parte de su energía a las que se mueven más lento, como
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resultado se desaceleran las rápidas y se aceleren las lentas. Si agregamos energía al sistema, la velocidad media de las moléculas se incrementa, produciendo energía térmica o calor. Por tanto, temperaturas altas corresponden a sustancias que tienen un movimiento medio molecular mayor. Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por otro lado, se supone que a la temperatura del cero absoluto cesa el movimiento atómico y molecular. El cero absoluto tiene lugar a 0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius ó -460 grados Farenheit. Todos los objetos en la naturaleza tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor.
La medición de la temperatura se realiza aprovechando algunos de los siguientes principios de los cuerpos y sustancias: la dilatación de líquidos, la diferencia de potencial de cuerpos diferentes en contacto, la variación de la resistencia eléctrica con el calor, la emisión de energía electromagnética de los cuerpos, la dilatación diferencial de sólidos en contacto, la presión, etc.
2.1
TIPOS DE TERMÓMETROS El termómetro de vidrio, es un tubo capilar de vidrio al vacío con mercurio, alcohol u otro fluido líquido (ver Tabla 1). El fluido se dilata más rápidamente que el vidrio, ascendiendo por las paredes al aumentar la temperatura. El termómetro de mercurio es el más usado, puede funcionar desde los -39 °C (punto de congelación) a 357 °C (punto de ebullición), permiten una lectura directa y no son muy precisos para fines científicos. El termómetro de alcohol coloreado, menos preciso que el mercurio, registra temperaturas desde -112 °C (punto de congelación del etanol) hasta 78 °C (su punto de ebullición).
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Tabla 1. Líquidos usados en termómetros de vidrio Líquido Mercurio Mercurio-talio Galio Pentanio Etanol Pentanol Tolueno Cresota Petróleo
En
el
termómetro
Temp. Inf. -38,5 -58 0 -200 -110 -115 -90 -40 -45
de
Temp. Sup. 800 1150 1200 35 35 135 100 210 160
termopar
Humectante no no no si si si si si si
o
termocupla, pila termoeléctrica, consta de dos cables de metales diferentes unidos en un extremo (ver Figura 01), que producen un voltaje que varía con la temperatura de la conexión. Este voltaje se usa como medida indirecta de la temperatura. Se emplean diferentes pares de metales para las distintas gamas de temperatura, siendo muy amplio el margen de conjunto: desde -200 °C hasta 1500 °C (ver Tabla 02). Estos pueden ser de sonda o de penetración.
Figura 01, Tipos de montajes para termocuplas
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Tabla 2 Tipos de termocuplas usadas para medir la temperatura Tipo
Denominación
Composición y símbolo
Rango de temperaturas (°C)
Diámetro del alambre
F.e.m.en (mV)
B
Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6%
PtRh 30% PtRh 6%
0 ...1.500 (1.800)
0,35 y 0,5 mm
0...10,094 (13,585)
R
Platino-rodio 13% vs. Platino
PtRh 13% - Pt
0...1.400 (1.700)
0,35 y 0,5 mm
0.16,035 (20,215)
S
Platino-rodio 10% vs. Platino
PtRh 10% - Pt
0...1300(1.600)
0,35 y 0,5 mm
0...13,155 (15,576)
J
Hierro vs. constatán
Fe - CuNi
K
Niquel-cromo vs. níquel (Chromel vs. Alumel )
NiCr - Ni
T
Cobre vs. constatán
E
Niquel-cromo vs. constatán (Chromel vs. constatán )
-200 ... 700 (900) -200 ... 600 (800)
3 mm 1mm
-7.89 ... 39,130 (51,875) -7.89 ... 33,096 (45,498)
0...1000(1.300)
3 ó 2 mm
0...41,269 (52,398)
0 ... 900 (1.200)
1,38 mm
0...37,325 (48,828)
Cu - CuNi
-200 ... 700 (900)
0,5 mm
-5,60 ... 14,86 (20,86)
NiCr - CuNi
-200 ... 600 (800)
3 mm
-9,83 ... 53,11 (68,78) -8,83 ... 45,08 (61,02)
Los termómetros infrarrojos hacen posible la medición de la temperatura sin contacto por medio de la radiación infrarroja de un cuerpo. Algunos poseen un rayo de luz piloto para su mejor orientación. Los termómetros infrarrojos miden solamente la temperatura superficial de superficies visibles, por tanto no lo pueden hacer a través de un cristal. Si mide superficies metálicas brillantes, como por ejemplo superficies de cilindros, solamente podrá utilizar los aparatos para determinar tendencias de temperatura. No es posible realizar una medición absoluta con los termómetros infrarrojos en superficies pulidas con brillo.
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En
un
termómetro
de
termistor
un
semiconductor varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura. En un termistor NTC (Negative
Temperature
Coefficient)
su
resistencia va decreciendo a medida que aumenta
la
temperatura
(resistencias
de
coeficiente de temperatura negativo), están constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado; es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura, se fabrican de óxidos semiconductores como el níquel, zinc, cobalto, étc., la relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial. En un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) su resistencia variable va aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos; también se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación. Estos termómetros pueden ser de sonda o de penetración. El termómetro bimetálico consiste en una cinta hecha de dos metales de coeficientes de dilatación térmica muy diferente, tales como el invar (Fe-Ni 36%) y el latón, soldados cara con cara en toda su longitud. La cinta puede ser casi recta o puede formar una espiral para conseguir mayor sensibilidad. Una elevación de temperatura cambia la curvatura de la cinta, puesto que el latón aumenta más rápidamente en longitud que
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el Invar. Si uno de los extremos es fijo, un indicador unido al extremo libre se mueve sobre una escala graduada en temperaturas o una pluma se mueve sobre una tarjeta movible para registrar la temperatura. Los termómetros digitales o de circuitos integrados (IC) incorporan un microchip que actúa en un circuito electrónico que es sensible a los cambios de temperatura ofreciendo lectura directa de la misma.
2.2
TRANSDUCTORES PARA EL REGISTRO DE TEMPERATURA Un transductor de temperaturas, es un dispositivo que convierte una magnitud física en una señal eléctrica la cual puede ser procesada para registrarla en el tiempo. Es fácil realizar medidas de la temperatura con un sistema de adquisición de datos, pero la realización de medidas de temperatura exactas y repetibles no es fácil. La temperatura es un parámetro termodinámico difícil de medir debido a su simplicidad. Pareciera que se trata de un simple número, pero en realidad es una estructura estadística cuya exactitud y repetitividad dependen de la masa térmica, el tiempo de medida, el ruido eléctrico y los algoritmos de medida. Los cuatro tipos más corrientes de transductores de temperatura que se usan en los sistemas de adquisición de datos: detectores de temperatura de resistencia (RTD), termistores, sensores de circuito integrado (IC) y termopares. La elección de un transductor de temperatura adecuado y su correcta utilización puede marcar la diferencia entre unos resultados equívocos y unas cifras fiables. Los termopares son los sensores más utilizados. Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran:
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Variación de resistencia en un conductor metálico (sondas de resistencia).
Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).
Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales distintos (termopares).
Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación).
Otros fenómenos: velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.
INSTRUMENTOS Y EQUIPOS EXPERIMENTALES Para la realización de la experiencia se requiere de lo siguiente:
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Termómetro de mercurio Termómetro de termocupla Termómetro infrarrojo Termómetro bimetálico Termómetro digital Material sólido Sustancia líquida Dispositivo calefactor Cronómetro
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1
RECONOCIMIENTOS DE INSTRUMENTOS DE MEDICION
Para el reconocimiento de cada uno de los termómetros, se examinara cada uno de ellos
identificando marca, modelo, tipo, características constructivas, rango de
operación y grado de precisión de la medición. 4.2
MEDICIÓN DE TEMPERATURA DE DIFERENTES SUSTANCIAS
Para la medición de la temperatura de sólidos, líquidos y gases se efectuará el siguiente procedimiento:
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a) Definir una sustancia sólida y otra líquida a las cuales se le medirá su temperatura. b) Registrar tres medidas de la temperatura del cuerpo sólido seleccionado con los termómetros de mayor precisión que se puedan utilizar en este caso. Anote los valores obtenidos. c) Registrar tres medidas de la temperatura de la sustancia líquida seleccionada con los termómetros de mayor precisión que se puedan utilizar en este caso. Anote los valores obtenidos. d) Registrar tres medidas de la temperatura del aire ambiental del laboratorio con los termómetros de mayor precisión que se puedan utilizar en este caso. Anote los valores obtenidos. 4.3
DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE CALENTAMIENTO DE AGUA
El objetivo de esta prueba es determinar gráficamente la curva de calentamiento de una determinada masa de agua a presión atmosférica. Para ello se realiza el siguiente procedimiento: - Identificar las características del equipo calentador de agua (capacidad y potencia eléctrica consumida). - Vaciar 800 cc de agua fría en el calentador eléctrico. - Ubicar en el calentador, el instrumento de medición de temperatura con mayor precisión y que permita el adecuado registro continuo de la temperatura del agua en el calentador. - Registrar la temperatura del agua antes de iniciar su calentamiento (To) - Verificar que el cronómetro para la prueba se encuentre preparado en 00:00:00 - Encender el calentador a la vez que se activa el cronómetro. - Cada 30 segundos se identifica la temperatura indicada por el instrumento de medición y se anota el valor leído. - Observar los cambios que ocurren en el agua al interior del calentador, en la medida que pasa el tiempo y su temperatura aumenta.
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- Luego que el agua empieza un proceso de evaporación desarrollada y luego de que la temperatura del agua no registre cambios significativos por espacio de 2 minutos, apagar el calentador. Se debe tener precaución durante el desarrollo de esta prueba y evitar ubicarse cerca del calentador, ya que durante la evaporación desarrollada del agua, pueden saltar gotas de agua caliente fuera del calentador.
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CONTENIDO DEL INFORME El contenido del informe deberá abarcar el desarrollo mínimo de los siguientes contenidos fundamentales:
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Teoría fundamental del experimento Objetivos de la experiencia Esquema de instalación Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados Descripción del método seguido o procedimiento experimental Presentación de datos recogidos en la experiencia y resultados (tabla y gráfico To vs tiempo) Determinar la temperatura de saturación del agua calentada y la presión atmosférica del laboratorio donde se realizó la experiencia. Discusión de los resultados Conclusiones.
EVALUACIÓN El informe que debe entregar el alumno será evaluado de acuerdo a la siguiente ponderación:
Introducción, objetivos, marco teórico Descripción de instalación y equipos Descripción de la metodología utilizada Presentación de datos y resultados Discusión de resultados y conclusiones
1.0 pto. 1.0 pto. 1.0 pto. 1.0 pto. 2.0 pto.
A la suma de los puntos indicados, se agregará el punto base correspondiente.