Medición de Temperatura. Práctica de Laboratorio

 

RESUMEN En la realización de esta práctica se buscó familiarizar al estudiante de ingeniería mecánica con diferentes tipos de termómetros. Para lograr lo anterior se construyeron curvas de calibración para el termómetro bimetálico y el termopar tomando como patrón las medidas obtenidas con el termómetro de mercurio. Los datos para construir las curvas de calibración se obtuvieron midiendo (con los tres termómetros) la temperatura del agua contenida en un envase metálico, este estaba sobre una cocinilla eléctrica y cada 60 segundos se leían medidas indicadas por cada instrumento, estas se registraron hasta que los tres instrumentos alcanzaron el estado estacionario.  Adicionalmente se construyeron gráficas temperatura-tiempo y con información obtenida de diversos tipos de termopar, se construyeron curvas temperatura-f.e.m. con el fin de identificar el tipo de termopar del laboratorio. Se concluyó que el material utilizado para el termopar del laboratorio fue hierro-constantán. Con las curvas de calibración se pudo observar que en el bimetálico se requiere que la temperatura varié unos   para ver un cambio en la lectura del instrumento, este alcanzó el estado estacionario a los . Por otra parte, el termómetro más sensible fue el Termocupla, que alcanzó el estado estacionario a los .

±5℃

21

25

ii

 

CONTENIDO  CONTENIDO  1. INTRODUCCIÓN  ...................................................................................................................................

4

2. OBJETIVOS  ............................................................................................................................................

9

3. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS........................................................................................

10

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL  ...............................................................................................

11

5. RESULTADOS  .....................................................................................................................................

12

6. ANALISIS DE RESULTADOS  ............................................................................................................

14

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  ..................................................................................

15

8. BIBLIOGRAFIA  .....................................................................................................................................

16

 APÉNDICES  APÉNDICE S  ..............................................................................................................................................

17

 APÉNDICE  APÉNDIC E A. Ejemplo Ejemploss de cálcu cálculos los  .................................................................................................

17

 APÉNDICE  APÉNDIC E B. Asigna Asignación ción  ...................................................................................................................

19

 APÉNDICE  APÉNDIC E C. Anex Anexos os  .........................................................................................................................

25

iii

 

1. INTRODUCCIÓN 1.1 CONTACTO TÉRMICO Con el tiempo dos objetos a diferentes temperaturas iniciales llegan a una temperatura intermedia cuando se colocan están en contacto físico se transfiere energía.en [4]contacto mutuo, incluso si al inicio no De lo anterior se puede decir que, dos objetos están en contacto térmico mutuo si entre ellos pueden intercambiar energía (ya sea por calor o radiación electromagnética) debido a una diferencia de temperatura. [4]

1.2 EQUILIBRIO TÉRMICO Cuando un cuerpo se pone en contacto con otro que está a una temperatura diferente, el calor se transfiere del que está caliente al frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. En ese punto se detiene la transferencia de calor y se dice que los dos cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. [1]

1.3 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Si el tercer cuerpo se sustituye por un termómetro, la ley cero se puede volver a expresar como dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso  si no están en contacto . [1] Esta ley nos indica que podemos medir la temperatura aprovechando el equilibrio térmico de los cuerpos, y estar seguros de que es independiente del material que intervenga. [3]

1.4 TEMPERATURA La temperatura es la propiedad que describe qué tan caliente está un sistema. Mientras mayor sea la temperatura, la sustancia estará más caliente, y mientras menor sea la temperatura, la sustancia estará menos caliente, o más fría. [3] Se ha medido la temperatura con varios métodos, y en todos está implicada la ley cero de la termodinámica; un medidor de temperatura (termómetro) llega al equilibrio térmico con un sistema. Cuando el termómetro alcanza el equilibrio térmico con el sistema que se está midiendo, ha cambiado alguna propiedad del termómetro, y esa propiedad es la que se mide. [3] La medición de temperatura es una función vital tanto en las ciencias como en la industria. Todos los experimentos de investigación y procesos de producción en alguna etapa dependen de una termometría exacta. [2]

4

 

1.5 ESCALAS DE TEMPERATURA Permiten usar una base común para las mediciones de temperatura. A través de la historia se han introducido varias y todas se basan en ciertos estados fácilmente reproducibles como los puntos de congelación y ebullición del agua, llamados también punto de hielo y punto de vapor, respectivamente. [1]  Las escalas de temperatura usadas actualmente en el SI y en el sistema inglés son la escala Celsius (antes llamada escala centígrada; en 1948 se le cambió el nombre en honor de quien la diseñó, el astrónomo sueco A. Celsius, 1702-1744)   y la escala Fahrenheit (en honor al fabricante de instrumentos alemán G. Fahrenheit, 1686-1736), respectivamente. [1] La escala de temperatura termodinámica en el SI es la escala Kelvin, llamada así en honor a lord Kelvin (1824-1907), cuya unidad de temperatura es el kelvin, designado por   (no ; el símbolo de grado se eliminó de forma oficial del kelvin en 1967). La temperatura mínima en esta escala es el cero absoluto, o   . Se deduce entonces que sólo se requiere asignar un punto de referencia diferente a cero para establecer la pendiente de esta escala lineal. [1]

 °

0

La escala de temperatura termodinámica en el sistema inglés es la escala Rankine, nombrada en honor a William Rankine (1820-1872), cuya unidad de temperatura es el rankine, el cual se designa mediante . [1]

 La escala Kelvin se relaciona con la Celsius mediante: Relación entre ℃ y :  =℃+273.15  La escala Rankine se relaciona con la Fahrenheit mediante: Relación entre ℉ y :  =℉+459.67 

Ec. (1.1)

Relación entre Relación entre

Ec. (1.3) Ec. (1.4)

Ec. (1.2)

Las escalas de temperatura en los dos sistemas de unidades se relacionan mediante: :  ℉ y℃:

      =1. 8  ℉ =1.8℃+32 

1.6 ESCALA DE TEMPERATURA INTERNACIONAL DE 1990 (ITS-90) Esta escala fue adoptada por el Comité Internacional de Pesos y Medidas en 1989 a solicitud de la Decimoctava Conferencia General de Pesos y Medidas. La ITS-90 es similar a sus predecesoras pero posee valores más actualizados de temperaturas fijas, tiene un alcance amplio y se ajusta con mayor precisión a la escala de temperatura termodinámica. En la ITS-90 la unidad de temperatura termodinámica   es también el kelvin ( ), definida como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua, el cual es el único punto fijo de definición de esta escala y la





5

 

Kelvin, además de funcionar como el punto fijo termométrico más importante usado en la calibración de termómetros para ITS-90. [1]

1  1 ° ∆

Se remarca que las magnitudes de cada división de y son idénticas; por lo tanto, cuando se trata con diferencias de temperatura , el intervalo de temperatura en ambas escalas es el mismo. Elevar la temperatura de una sustancia en  es lo mismo que elevarla en . Es decir, Diferencia de temperatura:

10 

1.7 INSTRUMENTO. 

∆=∆℃  ∆=∆℉ 

10 °

Ec. (1.5) Ec. (1.6)

Los instrumentos son dispositivos capaces de detectar un parámetro físico y convertirlo en una forma que puede ser interpretada cualitativamente por un observador. El propósito de un instrumento, como ya se ha mencionado antes, es suministrar información acerca de una cantidad física para la cual es particularmente sensible. La forma de energía que implica esta información generalmente se le denomina señal. Como requerimiento, el instrumento debe ser sensible (elemento sensor) a la variable medida, y debe presentar la información en forma detectable por los sentidos humanos (elemento indicador). Para ello puede ser necesario transformar el tipo de señal entre la entrada y la salida del instrumento, sin cambiar la esencia de la información transmitida. [2]

1.8 TERMOMETROS Los termómetros son dispositivos que sirven para medir la temperatura de un sistema. Todos los termómetros se basan en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia a medida que varía la temperatura temperatur a del sistema. [4]  Algunas propiedades físicas que cambian con la temperatura son 1) el volumen de un líquido, las dimensiones un sólido, 3) la presión de un gas a volumen constante, 4) el2) volumen de un gas adepresión constante, 5) la resistencia eléctrica de un conductor y 6) el color de un objeto. [4]

1.9 CALIBRACIÓN ESTÁTICA DE UN INSTRUMENTO Esto es básicamente hacer un curva de errores del instrumento, y se logra imponiendo valores constantes y conocidos a la entrada del instrumento para observar los valores de salida resultante en cada caso. [2]

1.10 EXACTITUD Significa la habilidad de un instrumento para indicar correctamente el valor de la señal de entrada. [2]

6

 

La exactitud se cuantifica por el denominado error estático  que se entiende como la máxima diferencia entre el valor indicado por el instrumento y el valor que debería de corresponder por la curva de calibración para un valor de entrada. Entonces podemos definir la exactitud como un porcentaje de la gama del instrumento. Por ejemplo, si el valor indicado por el instrumento es , y el valor de calibración es  

X  ̅X  Error estático=X =±  á     

̅X

Ec. (1.7) Ec. (1.8)



Si el punto más alto de la calibración de un instrumento es  unidades, y el más bajo es  unidades, se puede definir la gama del instrumento como



 =     Y se dice es que el rango es de  hasta .

Ec. (1.9)

Otra manera de tomar en cuenta la exactitud de un instrumento es determinando el porcentaje de error para cada medida como se muestra en la sección A.2, tomando como medida de la exactitud aquel resultado que tenga la mayor desviación. 1.11 SENSITIVIDAD Es el menor cambio en el valor de la variable medida que causa una respuesta del instrumento. Esta definición también se denomina permanencia de un instrumento, lo cual establece que habrá un valor mínimo de la entrada al que el instrumento responderá con una salida, pero que por debajo de ese valor el instrumento tendrá salidas iguales a cero. [2]

1.12 TERMOMETRO TERMOPAR Es un dispositivo de uso común para medir grandes diferencias de temperatura. Se fabrica con dos conductores eléctricos (termopar) distintos, soldados entre sí en un punto de conexión. [3]

1.13 COMBINACIONES DE ALAMBRE DE TERMOPAR  Algunas de las combinaciones de alambre de termopar de uso más común son: cobre-constantán (aleación de cobre-níquel) (designados como tipo T), hierroconstantán (tipo J) y cromel-alumel (tipo K). [3]

200 260 ° 43 /° –270 +1200 °

  Tipo T (cobre/constantán): ideales para mediciones entre  y . Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopar de T tiene una sensibilidad de cerca de . [5]   Tipo J (hierro/constantán): su rango de utilización es de / . Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o





7

 

800 °

en vacío, su uso continuado a   no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de ;y por debajo de  es necesario tomar precauciones a causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro. [5]   Tipo K (cromel/alumel): con una amplia variedad aplicaciones, está disponible a

0 °

550 °



un bajo costo y enaleación una variedad de Tienen sondas.unElrango cromeldeestemperatura una aleación el alumel es una de Ni-Al. dede Ni-Cr, ay   y una sensibilidad   aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidación. [5]   Tipo E (cromel/constantán [aleación de Cu-Ni]: no son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de . [5]

+1372 °

41 /°



68 /°

8

– 202000 °

 

2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general. Familiarizar el estudiante de Ingeniería Mecánica con distintos instrumentos usados para medir temperatura.

2.2 Objetivos específicos. 1. Aprender el principio de funcionamiento de los instrumentos de medición de temperatura utilizados en la práctica. 2. Identificar la aplicación más adecuada de llos os diferentes instrumentos utilizados. 3. Realizar mediciones correctas con los instrumentos utilizados. 4. Realizar llas as curvas de calibración de los termómetros.

9

 

3. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS 3.1 Materiales: 1.  Agua a temperatura ambiente. 2. Hielo. 3. 4. Envase Envase de de Metal Plástico 3.2 Equipos: 1. Termómetro de Mercurio. Marca: BRITISH MAKE N/F  Apreciación: ± 1ºC Capacidad: 110ºC

2. Termómetro Bimetálico. Marca: Weston  Apreciación: ± 5ºC Capacidad: 300ºC Serial: 5-EIM-04-0099

3. Termopar. 4. Multimetro Digital. Marca: 4M Industries, inc. Modelo: DMB 203 Serial: 60906050  Apreciación:   Capacidad:  

±0, 1  1000 

5. Dos soportes universales. 6. Cocinilla eléctrica. Marca: Corning Modelo: PC 351

7. Cronometro Digital (teléfono) Marca: Huawei Ascend Y300  Apreciación:  

±0.01 

10

 

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Se colocó el envase metálico sobre la cocinilla eléctrica y se le añadió suficiente agua del grifo. ajustó elsobre termómetro de por mercurio y el cualesestuviese estaban 2. Se sostenidos el envase pinzas) determómetro manera quebimetálico el sensor(los de estos dentro del recipiente metálico en contacto con el agua.

3. Se introdujo la junta caliente del termopar en el envase metálico y se conectó por otro lado al Multimetro. 4. Se añadió cierta cantidad de hielo al envase plástico (hasta que este estuviese al ras), en dicho envase se introdujo la junta fría del termopar y se conectó por otro lado al Multimetro. 5. Se conectó el enchufe del Multimetro a la toma y se verificó que este estuviese encendido. 6. Se verificó la apreciación de cada instrumento de medición, de manera que los estudiantes indicaran las medidas en base a esta. 7. Se anotaron los valores de temperatura (leídos en los termómetros de mercurio y bimetálico) y de f.e.m. (registrado por el Multimetro) antes de encender la cocinilla. 8. Se dividieron las tareas, un estudiante se encargó de leer la temperatura en el termómetro de mercurio, otro la leía del bimetálico, alguien decía la lectura (f.e.m.) mostrada por el Multimetro, un cuarto estudiante se encargó de llevar el tiempo con un cronometro, mientras que un quinto estudiante registraba las medidas. cronom etro. 9. Se encendió la cocinilla y a la par se puso en marcha el cronometro.

10. Se anotó, cada 60 segundos las medidas indicadas por cada instrumento. 11. Finalizó la toma de medidas cuando cada instrumento alcanzo el estado estacionario (una medida que se repitiera 3 veces era indicativo de que se había alcanzado el estado estacionario). 12. Finalmente se apago la cocinilla, se desconectó el Multimetro y se dejó todo de manera similar a como estaba al principio.

11

 

5. RESULTADOS

Termómetro Bimetálico 100    o    r    t    e    m     ó    m    r    e    t    )     l    C    °    e    (    n   o    c    e    l    i    a    á     d    i    t    e    e     l    m    i    a    b    r    u    t    a    r    e    p    m    e    T

90 y = 0.9811x 0.9811x - 2.9802

80 70 60 50 40

Curva de Calibración

30 20 10 0 0

20

40

60

80

100

120

Temperatura leída en el termómetro de mercurio (°C)

Figura 5.1: Curva de calibración del termómetro bimetálico.

Termopar 6     )    V    m5     (    r    a    p    o 4    m    r    e    t     l 3    e    n    e    a 2     d     í    e     l      m  . 1    e  .    F

y = 0.0519x 0.0519x - 0.1486

Curva de Calibración

0 0

20

40

60

80

100

120

Temperatura leída en el termómetro de mercurio (°C)

Figura 5.2: Curva de calibración del termopar.

12

 

120

6

100

5

    ) 80     (    C    °    a    r    u    t 60    a    r    e    p    m    e    T 40

4     )    V    m     (

3    e    j

   a    t     l    o    V

Termómetro de mercurio (°C)

2

Termómetro bimetálico (°C) 20

1 Termopar (mV)

0

0 0

500

1000

1500

2000

Tiempo (s)

Figura 5.3: Variación de las medidas tomadas durante el experimento con cada 60 segundos transcurridos. 7 6 5     )    V    m4     (    e    j    a    t     l    o3    V

Termopar Utilizado

2

Hierro-Constantan Cobre-Constantan

1

Cromo-Constantan

0 0

20

40

60

80

100

120

Temperatura (°C)

Figura 5.4: Determinación del tipo de termopar utilizado en la práctica comparándolo con el Termocupla tipo J, T y E. 13

 

6. ANALISIS DE RESULTADOS En la figura 5.1 se observa una pequeña línea horizontal que une la cuarta y quinta medida tomada durante la práctica, esta se línea se formo debido a que mientras en el termómetro de mercurio ocurrió un cambio de temperatura apreciable (la temperatura cambio de  a ), en el termómetro bimetálico el cambio de temperatura no fue suficiente para provocar una respuesta de dicho instrumento (las dos lecturas fueron ).

35℃

36℃ 40℃

De lo anterior se puede inferir que el termómetro de mercurio posee menor sensibilidad (un cambio de  en la temperatura causa una respuesta del termómetro de mercurio) que el termómetro bimetálico (se requiere que la temperatura cambie unos ). Esta es la razón de todas las demás líneas horizontales que se formaron en la curva de calibración. Luego de realizado el ajuste se determino que la curva la tendencia de la curva como .

±1℃

±5℃

 = 0,9811  2,9802

De las medidas realizadas con el bimetálico, la que tuvo la mayor desviación ( ) fue la , y en promedio el porcentaje de error cometido fue de . Es necesario calibrar este instrumento ya que las lecturas de las medidas están lejos de ser exactas.

7,%=15,38 05 % 14 En la figura 5.2 se puede apreciar que los datos tienen una tendencia lineal (  = comparando los datos, se puede decir que por 0,aproximadamente 05190,1486),cadaademás 4℃ que sube la temperatura en el termómetro de mercurio, en el termopar se observa un aumento de f.e.m. de 2 , ambos instrumentos son sensibles a cambios de temperatura del orden de ±1℃. En comparación con la figura 5.1, en la curva de la figura 5.2 no se muestran líneas horizontales, pero al final de la misma se muestra una pequeña línea vertical (a partir de la medida ). Basado en lo anterior se concluye que el termopar es más sensible a los cambios de temperatura que el termómetro de mercurio.

23

En la figura 5.3 se visualiza que el primer instrumento en alcanzar el estado estacionario fue el termómetro bimetálico (a los ), luego le siguió el termómetro ter mómetro de mercurio (a los ) y finalmente por ser el más sensible a los cambios de temperatura estuvo el termopar (alcanzo el estado estacionario a los ). Por cada  que pasaban, la temperatura aumentaba entre  y  grados para el termómetro de mercurio, tenían que pasar aproximadamente  para que el bimetálico mostrada una temperatura  por encima de la anterior y por cada  la f.e.m. registrada en el termopar subía aproximadamente .

1260 3℃ 4℃ 120 60

1380

60

5℃

2

1500

Finalmente en la figura 5.4 se nota que la curva del termopar utilizado durante el experimento está más cercana al termopar tipo j, por lo tanto se concluye que la combinación de alambre utilizada para el termopar fue hierro-constantán. 14

 

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1 Conclusiones 1. Los termómetros utilizados en la práctica funcionan según el principio de que alguna propiedad física del sistema cambia a medida que varía la temperatura del sistema. 2. El termómetro de mercurio es adecuado para medir de manera exacta temperaturas entre 0 y , mientras que para temperaturas mayores se puede utilizar el termómetro bimetálico o un termopar, la elección de uno u otro dependerá del grado de precisión requerido.

100℃

3. Para realizar mediciones correctas es muy importante que el instrumento este calibrado y que las lecturas se hagan desde la posición adecuada. 4. Con la construcción de la curva de calibración del termómetro bimetálico y el Termocupla se puede determinar si estos requieren de algún ajuste

7.2 Recomendaciones 1. A pesar de que el laboratorio es amplio, el lugar donde se encuentra el montaje de los instrumentos de medición de temperatura es incomodo debido a que hay un viga cercana que le quita visibilidad al experimento, por lo que se recomienda colocarlo en un lugar más despejado. 

15

 

8. BIBLIOGRAFIA [1] Cengel, Y. y Boles, M. (2012). Termodinámica”.  Séptima edición. Editorial Mc Graw Hill. México. “

[2] Méndez, R. (1979). “Curso sobre instrumentación industrial básica”.  Trabajo de ascenso. Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, UDO. Puerto La Cruz. [3] Rolle, K. (2006). Termodinámica”.  Sexta edición. Editorial Pearson Educación. México. “

[4] Serway, R. y Jewett, J. (2008). “Física: para ciencias e ingeniería. Volumen 1”. Séptima edición. Editorial Cengane Learning. México. [5] Sin autor. “Tipos de termopar http://www.termokew.mx/termopares.php].

16

más

comunes”.

[Disponible

en:

 

APÉNDICES APÉNDICE A. Ejemplos de cálculos A.1 Determinación de la ecuación de la recta. Tabla A.1: Ajuste por mínimos cuadrado para la serie de datos con los cuales se construyo la curva de calibración del termómetro bimetálico. Nº

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28





(

)

31 31 33 36 40 43 47 51 55 59 63 67 70 75 77 81 83 86 89 91 94 96



(

)

30 30 30 35 35 40 45 45 50 55 55 60 65 65 70 75 75 80 85 90 90 95

() ×  ()  

930 930 990 1260 1400 1720 2115 2295 2750 3245 3465 4020 4550 4875 5390 6075 6225 6880 7565 8190 8460 9120

961 961 1089 1296 1600 1849 2209 2601 3025 3481 3969 4489 4900 5625 5929 6561 6889 7396 7921 8281 8836 9216

 

98 99 99 99 99 99

95 95 95 95 95 95

9310 9405 9405 9405 9405 9405

9604 9801 9801 9801 9801 9801

1991

1870

148785

157693

Utilizando los datos de la tabla anterior y empleando las siguientes ecuaciones se determino la pendiente y el intercepto de la recta mostrada en la figura 5.1 como se muestra a continuación:

17

 

Pendiente:

∑ ∗− −∑∑  ∑  m = n∗n∗∑n∗n∗∑  ∑  − −∑∑   148785  1991 ∗1870 ∗1870 m = 282828148785 157693  1991 ∗∑=− 0, 9 ∑811 −∑  ∑  ∗  = ∑ m∗∗∑  ∑  − −∑∑  1870 1991 ∗148785 ] b = [157693∗ 2828157693 157693  1991 1991 b =2,9802

Ec. (A.1)

 

 

Intercepto:

Ec. (A.2)

 

 

 

De manera similar se determino la ecuación de la recta mostradas en la figura 5.2.

A.2 Determinación del porcentaje de error. Utilizando los datos de la segunda ( ) y tercera (  ) columna de lla a tabla A.1, en conjunto la ecuación mostrada a continuación, se obtuvo el porcentaje de error cometido para cada medida de la siguiente manera:



Porcentaje de error:



Ral  x 1100 %Error= Val Mdd−Val 00  Val Mdd

Ec. (A.3)

Donde: Valor medido: Temperatura del bimetálico (

 

Valor real: Temperatura del termómetro de mercurio

 

|3031|  %Error=%Error=3,33  30  x 110000

 

 

El cálculo solo se muestra para la primera lectura, ya que para las siguientes el procedimiento es el mismo.

18

 

APÉNDICE B. Asignación 1. Defina: T Temperatura, emperatura, Calor y Calor específi específico. co. Temperatura: Se puede considerar a la temperatura   como la propiedad que determina si un objeto esta en equilibrio térmico con otros objetos. Dos objetos en equilibrio térmico, uno con otro, están a la misma temperatura. [4]   Con frecuencia el concepto de temperatura se asocia con que tan caliente o frio se siente un objeto cuando se toca. De esta forma, los sentidos proporcionan una indicación cualitativa de la temperatura. Sin embargo, lo sentidos no son confiables y con frecuencia hacen que uno se equivoque. [4] Es útil relacionar la energía interna con la temperatura de un objeto, pero esta correspondencia es limitada. [4] Desde el punto de vista molecular la temperatura es una medida directa de la energía cinética molecular promedio. [4] 

Calor: es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debida a una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. [4] Calor específico: El calor específico es en esencia una medida de que tan insensible térmicamente es una sustancia a la adición de energía. Mientras mayor sea el calor especifico de un material, mas energía se debe agregar a una masa determinada del material para causar un cambio particular de temperatura. [4]

2. ¿En que se basa la escala de temperatura absoluta? Si se usa termómetros de gas para medir las temperaturas de varios gases a diferentes presiones iniciales. Los experimentos demuestran que las lecturas del termómetro son casi independientes del tipo de gas usado, en tanto la presión del gas sea baja y la temperatura este arriba del punto en el que el gas se licua (figura 1). [4]

Figura B.1: Presión con temperatura para ensayos experimentales en gases que tienen diferentes presiones en un termómetro de gas a volumen constante. [4] 19

 

Si las líneas rectas de la figura B.1 se extienden hacia temperaturas negativas, se encuentra un resultado notable: ¡en cada caso, la presión es cero cuando la temperatura es  ! Este hallazgo se usa como la base para la escala absoluta de temperatura, que establece   como su punto cero. A esta temperatura usualmente se le refiere como cero absoluto. [4] 

273.15°

273.15°

3. Explique los pr principios incipios de funcionamiento de los Termómetro Termómetross de Mercurio, Mercurio, Bimetálico y de un Termopar. Termómetro de mercurio:  consiste de una masa de líquido que se expande en un tubo capilar de vidrio cuando se calienta. La propiedad física que cambia es el volumen del líquido. Cualquier cambio de temperatura en el intervalo del termómetro se define como proporcional al cambio en longitud de la columna de líquido. [4] La sensibilidad del termómetro de mercurio se obtiene restringiendo al mercurio a estar dentro de una columna muy pequeña (o tubo capilar) y en esa columna se fija una escala que indique los grados de temperatura. [3]

Termómetro bimetálico:  es un dispositivo sensor de temperatura que aprovecha que dos metales, pegados entre sí se dilatan longitudinalmente con distintas proporciones, y hacen que se doble la tira bimetálica. Si se calibra en forma adecuada una escala, se puede usar para indicar la flexión causada por un cambio de temperatura. [3]

Termopar:  es un dispositivo de uso común para medir grandes diferencias de temperatura, o altas temperaturas. Se fabrica con dos conductores eléctricos (termopar) distintos, soldados entre sí en un punto de conexión. Cuando cambia la temperatura de la unión, se crea una fuerza electromotriz (FEM) en la unión, y ese voltaje se puede medir con un voltímetro u otro aparato electrónico. [3] 4. Clasifique y explique los principios de funcionamiento de los los diferentes instrumentos de medición de temperatura. Los termómetros pueden serya clasificados como:anteriormente. (a) Eléctricos. (b) No Eléctricos. (c) Pirómetros. Algunos de estos fueron descritos

Tabla B.1: Clasificación de termómetros. [2]  Eléctricos Basados en fem. Basados en resistencia:   Semiconductores.   Termistores.  

No eléctricos Basados en expansión de líquidos:   Clase I (líquidos)   Clase II (vapores)   Clase III (gases) Basados en expansión de sólidos: pares bimetálicos. 





20

Pirómetros De radiación total:   Ópticos   Fotoceldas   A dos colores.   

 

Termistores: son instrumentos de medición de temperatura, cuya resistencia eléctrica varía al cambiar la temperatura, de modo que para determinada resistencia eléctrica hay relacionada una temperatura específica con ella. Un termistor es en esencia una longitud precisa de alambre conductor que se expone a la temperatura que lo rodea, y es capaz de registrarla. [3] Pirómetros: son dispositivos medidores de temperatura que usan la radiación térmica para registrar las temperaturas. Esos dispositivos tienen la ventaja de poder medir temperaturas de superficies u objetos sin tocarlas, y hasta muy alejadas del pirómetro. El pirómetro funciona mejor cuando hay un vacío o aire entre él y el objeto. La radiación térmica está formada por luz visible, luz infrarroja y luz ultravioleta, y su color e intensidad son indicadores de la temperatura de la superficie del objeto. [3] Pirómetros ópticos: se usan comparando la luz de un filamento luminoso fino con el campo de la superficie que se va a medir.   Este procedimiento implica ajustar o cambiar el brillo del filamento luminoso (que está calibrado para una escala de temperatura) hasta que el filamento parece desaparecer en el campo. [3] Pirómetro de radiación total: usa una termopila para sentir la radiación térmica que le llega desde un objeto cuya temperatura se va a medir. Estos instrumentos son adecuados para la adquisición automática de datos. Se usan con frecuencia para medir la temperatura superficial del Sol, y en otras aplicaciones donde se desea tener una vigilancia continua de la temperatura. [3] Termómetro de valor constante de gas, o de gas perfecto (clase III):   es teóricamente también un termómetro práctico. Si se llena un recipiente rígido como un gas perfecto, y si a la cámara se le conecta un manómetro, la presión medida será proporcional a la temperatura del gas dentro del recipiente. [3] Termómetros de clase II:  operan bajo el principio de que la presión de un vapor saturado depende solo de la temperatura. [2] Potenciómetro: es un instrumento que mide fuerza electromotriz o voltaje. El principio fundamental es la comparación de la f.e.m. que se mide con un potencial de sentido opuesto. La medición se completa cuando las dos señales se contrarrestan enteramente, de manera que el paso de la corriente a través de un galvanómetro indicador es cero. [2] 5. ¿Cómo variarían los resultados del experimento de calibración del Termopar, si no se hubiese usado hielo en la punta fría? Todos los resultados tendrían un un desfase, que sería igual al valor de la temperatura en la punta fría. Si las dos uniones se ponen en un baño de hielo (a 0°C), estarán a la misma temperatura, y se pueden usar tablas de conversión para convertir las mediciones de voltaje directamente a indicaciones de temperatura, la temperatura 21

 

obtenida de esta manera es el resultado de la diferencia entre la temperatura de la junta caliente y la junta fría (  cuando se utiliza hielo). Cuando no se utiliza hielo, el valor que tenga la punta fría será diferente de , por lo tanto los resultados medidos no reflejaran la temperatura adecuada.

0℃

0℃

6. ¿Qué son y cómo se miden las tem temperaturas peraturas estática, dinámica y total en un fluido en movimiento? Para flujos a altas velocidades, como los de los motores de propulsión conviene combinar la entalpía y la energía cinética del fluido en un término único llamado entalpía de estancamiento (o total) , definida por unidad de masa como: Entalpia total:

ℎ ℎ = ℎ +    ⁄ 

Ec. (B.1)

Donde:

ℎ: Entalpia estática. : Energía cinética. Durante un proceso de estancamiento, la energía cinética de un fluido se convierte en entalpía, lo que resulta en un aumento en la temperatura y presión del fluido. A las propiedades de un fluido en el estado de estancamiento se les llama propiedades  de estancamiento. [1] Cuando el fluido se aproxima a un gas ideal con calores específicos constantes, su entalpía puede reemplazarse por  y la ecuación anterior puede expresarse como:



Temperatura total:

  se le llama temperatura

   de =estancamiento  + 

Ec. (B.2)

(o total), y representa la temperatura que adquiere un gas ideal cuando se lleva al reposo adiabáticamente.   El    corresponde al incremento de temperatura durante dicho proceso y se le término  A

 



llama temperatura dinámica. El primer término  representa la temperatura ordinaria o temperatura estática. [1]

300  100 /

Cuando el aire a y   es llevado al reposo adiabáticamente (por ejemplo, en la punta del medidor de temperatura), su temperatura se incrementa al valor de estancamiento de 305 K. Para los flujos a baja velocidad, las temperaturas de estancamiento y estática (ordinaria) son prácticamente las mismas. Sin embargo, para flujos a gran velocidad, la temperatura medida por un medidor en reposo colocado en el 22

 

fluido (la temperatura de estancamiento) puede ser significativamente más alta que la temperatura estática del fluido. [1]

7. Se desea calibrar un Termopar de Platino contra uno de Platino-Rodio y se utilizarán en el intervalo de temperaturas descrito como intervalo 3 en la norma ITS-90. Durante la calibración, las lecturas de la FEM (Fuerza Electromotriz) del Termopar en microvolts son    y   en los puntos de congelación del Aluminio, la Plata y el Oro, respectivamente. Suponga una relación polinomial de la forma

,  

= +  +    Y determine la temperatura si el termopar registra una lectura lectura de

 .

Según el Intervalo 3 de la norma ITS-90 Los puntos de congelación son:

933,473  [1] [1] 1337,1234, 33 9 [1] 3

  Punto de congelación del aluminio:   Punto de congelación de la plata:   Punto de congelación del oro:

 



Utilizando la relación polinomial dada y los datos proporcionados es posible construir un sistema de tres ecuaciones y tres incógnitas como se muestra a continuación:

= + ,+,  = + ,+,  = + ,+,   Al solucionar este e ste sistema de ecuaciones se obtienen los siguientes valores para las incógnitas:

 =,    = , ,⁄   = . . ⁄  Estos valores se sustituyen en la relación polinomial dada junto con la lectura que registra el termopar ( ), con lo que se obtiene una ecuación de la siguiente forma: =,+,.  23

 

Finalmente se resuelve la ecuación de segundo grado obteniendo los siguientes resultados para la temperatura:

 = ,,     

 = ,  

24

 

APÉNDICE C. Anexos Tabla C.1: Datos del termopar tipo J.

 ℃



 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

 

0 0,507 1,019 1,537 2,059 2,585 3,116 3,65 4,187 4,726 5,269

Tabla C.2: Datos del termopar tipo T.

 ℃



 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

 

0 0,391 0,79 1,196 1,612 2,036 2,468 2,909 3,358 3,814 4,279

Tabla C.2: Datos del termopar tipo E.  

 

 ℃



0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 0,591 1,192 1,801 2,419 3,047 3,683 4,329 4,983 5,646 6,317

25

 

Figura C.1: Datos tomados durante el experimento.

26

 

Figura C.2: Datos tomados durante el experimento.

27