RESUMEN
En esta prctica se demuestra, a travs del uso experimental de
tres (3) instrumentos de medicin de temperatura, cul de estos
(termmetro de mercurio, termmetro bimetlico y termopar) es ms
exacto al momento de realizar una medida. Para esto se realiz un
experimento que consiste en colocar agua en un vaso precipitado al
cual se le suministra calor a travs de una cocinilla elctrica.
Luego, en intervalos fijos de tiempo, se tomara las temperaturas en
dichos instrumentos para as reunir datos, los cuales seran
tabulados y con ellos elaborar las curvas de calentamiento del
agua, as como unas curvas de calibracin para el termmetro bimetlico
y el termopar tomando como instrumento patrn el termmetro de
mercurio (Hg). Se realiz el anlisis correspondiente con el fin de
identificar y conocer a dichos instrumentos de medicin y as saber
cul es el ms preciso a la hora de tomar temperaturas, donde por
procesos comparativos puede concluir que el termmetro bimetlico es
el ms preciso entre estos instrumentos de medicin de
temperatura.
NDICE Pg.RESUMENiNDICEiiINTRODUCCINiiiOBJETIVO GENERAL1OBJETIVOS
ESPECFICOS1MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS2PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTAL3RESULTADOS4ANALISIS DE
RESULTADOS6CONCLUSIONES7RECOMENDACIONES8BIBLIOGRAFIA9APENDICE A:
EJEMPLO DE CLCULOS10APENDICE B: ASIGNACIN11APENDICE C:
ANEXOS18ANEXOS19
INTRODUCCIN
Hoy en da con los avances de la ciencia, han surgido diversas
formas de medir la temperatura de un fluido, facilitando as las
labores durante los experimentos realizados; sin embargo, es de
suma importancia conocer algunos instrumentos que representan la
base de conocimiento para un ingeniero, en este caso son: el
termmetro bimetlico, el termmetro de mercurio y el termopar
(termocupla).
Estos instrumentos anteriormente sealados poseen caractersticas
diferentes por lo que su aplicacin vara dependiendo del mbito o
desarrollo experimental. De esta forma, se presentan curvas
comparativas respecto a cada uno de los instrumentos debido a su
precisin para su posterior utilizacin.
El presente informe estar orientado a la utilizacin de estos
dispositivos para medir temperatura y su comparacin respecto al
instrumento tomado como patrn de medida, para as establecer la
calibracin o exactitud de los mismos, durante la realizacin de la
prctica de laboratorio.
19
OBJETIVO GENERALFamiliarizar al estudiante de Ingeniera Mecnica
con distintos instrumentos usados para medir temperatura.
OBJETIVOS ESPECFICOS Aprender el principio de funcionamiento de
los instrumentos de medicin de temperatura utilizados en la
prctica. Identificar la aplicacin ms adecuada de los diferentes
instrumentos utilizados. Realizar mediciones correctas con los
instrumentos utilizados. Realizar las curvas de calibracin de los
termmetros.
MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOSMATERIALES:
Agua Hielo 2 Soportes universales 2 Pinzas Cronmetro Vaso
precipitado
EQUIPOS:
Termmetro de MercurioMarca: GH ZealApreciacin: 1CCapacidad:
110C
Termmetro BimetlicoMarca: WestonApreciacin: 5CCapacidad:
300C
TermoparMarca: Digital Multimeter DMB-203Apreciacin: 0,1mV
Cocinilla ElctricaMarca: CORNINGVoltaje: 110vPotencia: 500
wattModelo: PC-351 hotplate-stirrerRango de temperatura: 25 -
520CFrecuencia: 50/60 Hz
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALSe agreg agua al vaso precipitado y se
coloc sobre la cocinilla elctrica.
Se sujet el termmetro de mercurio con una pinza de modo que el
nivel de agua coincidiera con el cero de su escala, en este mismo
sujetador se coloc el termopar, con otra pinza se fij el termmetro
bimetlico parcialmente sumergido, se ubicaron de forma aislada para
evitar la transferencia de calor con las pinzas.
Una de las puntas del termopar se sumergi parcialmente en el
agua, mientras que los extremos no enroscados se introdujeron en el
envase aislante que contiene hielo y agua fra.
Las puntas que se encontraban en el envase aislante se
conectaron al medidor al multmetro, de manera que la variacin de
temperatura se midiese como diferencia de potencial. Se tom una
medida inicial (cocinilla apagada) a un tiempo de cero segundos, se
encendi la cocinilla y se tomaron las medidas de temperatura en
intervalos de sesenta segundos. Esto hasta llegar al punto de
ebullicin de agua (100C), donde las medidas se mantuvieron
constantes a travs del tiempo.
Luego se procedi a apagar la cocinilla y el multmetro
digital.
Con los datos obtenidos se procedi a graficar la curva de
calentamiento del agua y las curvas de calibracin del termmetro
bimetlico y el termopar respecto a termmetro de mercurio.
RESULTADOS
Figura 1: Grafica de temperatura-tiempo. T=f(t)
Figura 2: Grafica de temperatura-temperatura. (calibracion)
Figura 3: Grafica de temperatura-temperatura. (calibracion)
Figura 4: Grafica de f.e.m. temperatura para el termopar
ANALISIS DE RESULTADOSEn la Figura 1 se observa un grfico en el
que se denota la variacin de la temperatura es los diferentes
instrumentos de medida (termmetro de mercurio, termmetro bimetlico,
termopar) en funcin del tiempo. En el termmetro de mercurio se
puede apreciar una curva en donde los valores de temperatura son
muy cercanos entre s a travs del tiempo. En el termmetro bimetlico
y el termopar las curvas son ms parecidas, a pesar de no notarse
muy bien debido a la escala escogida. Del grfico se puede decir que
los tres instrumentos de medida son muy parecidos a pesar de la
variacin de algunos datos al momento de realizar la medida.En la
Figura 2 se muestra la curva de calibracin de un termmetro
bimetlico tomando al termmetro de mercurio como instrumento patrn.
En ella se puede apreciar una tendencia lineal de un instrumento
calibrado, con la presencia de una pequea dispersin de datos debido
a la toma errada, por parte de la persona que estaba de turno al
momento de apreciar los valores de temperatura. En la Figura 3 se
aprecia una curva de calibracin de un termopar tomando al termmetro
de mercurio como instrumento patrn, el cual presente una tendencia
lineal tpica de un instrumento calibrado. En esta curva se observa
que los valores de temperatura van aumentando de manera lineal con
respecto a la temperatura del mercurio. Cabe destacar que un pequeo
cambio en la temperatura del ambiente puede ocasionar algunos
desvos en la grfica.Comparando la Figura 4 con la Figura 1.C en el
cual se encuentran los distintos materiales con el que puede estar
compuesto un termopar, se puede concluir que el material utilizado
en el termopar es de hierro-constantan (Tipo J) ya que las
pendientes de ambas rectas dan valores prximos.
CONCLUSIONES
Se aprendi a utilizar los instrumentos de medicin de
temperatura, como el termmetro de mercurio, el termmetro bimetlico
y el termopar.El termmetro de mercurio funciona por la dilatacin
del mercurio, en su interior, al aumentar la temperatura. Debe
estar totalmente sellado.El termmetro bimetlico trabaja con dos
placas metlicas de distintos coeficientes de dilatacin, que con el
aumento de temperatura se genera un movimiento entre ellos. Pero
como su principio es mecnico, tiende a desajustarse.El termopar
funciona con dos alambres metlicos que al estar a una temperatura
especfica genera una diferencia de potencial.Se determin por
comparacin de la curva de comportamiento de termopares registradas
que el material del termopar usado es Hierro-Constantan (Tipo
J).
RECOMENDACIONES
Al momento de calibrar un instrumento, se debe seleccionar como
patrn un instrumento de menor apreciacin; se hizo con el termmetro
de mercurio con respecto a los otros.De los instrumentos
utilizados, se recomienda, principalmente, utilizar el termmetro de
mercurio para medir temperaturas bajas, debido a que es el que
posee menor apreciacin (1C).El instrumento de mayor capacidad es el
termopar, por eso se recomienda utilizar para medir temperaturas
elevadas (mayores a 100C).El personal que maneja los instrumentos
de medicin deben permanecer atentos al momento de tomar los valores
medidos, para evitar un alto porcentaje de error humano.
BIBLIOGRAFIA
CENGEL, Y. Y BOLES, M. (1998).Termodinmica. McGraw Hill, 3ra
edicin.
Pyromation, inc (s/f). Type J Thermocouple-thermoelectric
voltage as a function of temperature (C); reference junctions at 0
C [Documento en lnea]. Disponible en:
http://www.unirioja.es/cu/lzorzano/Emfj_c.pdf [Consulta Octubre 12,
2012]Osuna, S. (s/f). Transductores: sensores y actuadores
[Documento en lnea]. Disponible en:
http://www.profesaulosuna.com/data/files/ELECTRONICA/INSTRUMENTACION/SENSORES/Transductores.pdf
[Consulta Octubre 13, 2014]Wikipedia (2014). Termmetro de mercurio.
Disponible en:
http://es.wikipedia.org/wiki/Term%C3%B3metro_de_mercurio [Consulta
Octubre, 2014]
APENDICE A: EJEMPLO DE CLCULOS Calibracin de la curva del
termmetro bimetlico: Utilizando el termmetro de mercurio (Hg) como
instrumento patrn, y aplicando mnimos cuadrados para obtener una
aproximacin a una recta.Notacin: Termmetro de Mercurio (x);
Termmetro bimetlico (y)TABLA DE MNIMOS CUADRADOS
xyx2x*y
414016811640
424017641680
454020251800
504025002000
554530252475
585033642900
645540963520
686046244080
746554764810
787060845460
847870566552
888077447040
908581007650
949088368460
969092168640
10095100009500
10095100009500
10095100009500
1327121310559197207
Pendiente:
Punto de corte con el eje y:
APENDICE B: ASIGNACIN1.- DEFINA: TEMPERATURA, CALOR Y CALOR
ESPECFICO
1. Temperatura: Se define como una magnitud escalar relacionada
con la energa interna de un sistema termodinmico, definida por el
principio cero de la termodinmica. Es una propiedad de la materia
que est relacionada con la sensacin de calor o fro que se siente en
contacto con ella y que puede ser medida, especficamente, con
untermmetro. Cuando tocamos un cuerpo que est a menos temperatura
que el nuestro sentimos una sensacin de fro, y al revs de calor.
Sin embargo, aunque tengan una estrecha relacin, no debemos
confundir la temperatura con el calor.
1. Calor: Elcalores el proceso de transferencia deenergaentre
diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se
encuentran a distintastemperaturas. El calor es una forma deenerga
que los cuerpos almacenan (energa interna) que ocurre en funcin del
estado de vibracin de sus molculas y depende de su estructura. El
calor pasa del cuerpo ms caliente al ms fro. Cuando ambos cuerpos
se hallan a la misma temperatura (equilibrio trmico) ya no hay ms
transferencia de calor. Incluso los objetos ms fros poseen algo de
calor porque sus tomos se estn moviendo.
1. Calor Especfico: es una magnitud fsica que se define como la
cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de
una sustancia o sistema termodinmico para elevar su temperatura en
una unidad (kelvin o grado Celsius). La relacin entre calor y
cambio de temperatura se expresa normalmente en la siguiente
frmula:
Q=cmT
Dnde:Q= calor aadido.C= calor especfico.m= masa.T= variacin de
temperatura.
Esta frmula no se aplica si se produce un cambio de fase, porque
el calor aadido o sustrado durante el cambio de fase no cambia la
temperatura.
2.- EN QUE SE BASA LA ESCALA DE TEMPERATURA ABSOLUTA.
LaTemperatura absolutaes elvalorde latemperaturamedida con
respecto a una escala que comienza en elcero absoluto(0 K 273,15C).
Veremos que la existencia de una escala absoluta de temperaturas es
consecuencia del Segundo Principio de la Termodinmica. Por el
momento basta recordar los siguientes puntos bsicos:1. Existen dos
unidades bsicas para medir temperatura en forma absoluta: el
gradoKelvin[K]y el gradoRankine[R]. En magnitud 1K = 1C y 1R =
1F.1. El 0K = -273,15C1. Es la temperatura ms baja posible.
La teora cintica de la materia brinda la posibilidad de
establecer una escala de temperaturas cuyo cero no sea arbitrario
(como en el caso de la escala centgrada, por ejemplo). El
razonamiento sera el siguiente:
1. Si la temperatura de una sustancia es proporcional a la
energa de sus partculas (tomos, molculas) el cero de temperaturas
debera fijarse all donde las partculas no tuvieran energa. Esto es,
cuando estuvieran totalmente quietas. 1. Este es el criterio para
fijar el cero de la escala absoluta de temperaturas, cuya unidad es
el kelvin (K).
3.- NOMBRE Y DESCRIBA LOS DIFERENTES INSTRUMENTOS MEDIDORES DE
TEMPERATURA.
1. Termmetros de columna: La gran mayora de las sustancias se
dilatan a dimensiones mayores cuando se calientan y se contraen a
las dimensiones anteriores si se enfran a la misma temperatura
anterior, este efecto se utiliza para construir los termmetros de
columna.Estos termmetros constan de un tubo capilar (muy fino)
devidriocerrado en un extremo, y con un bulbo lleno de lquido
coloreado en el otro, al que se le ha practicado vaco. 1.
Termmetros a presin de gases: Un bulbo lleno con gas es la parte
principal del sensor de temperatura que se coloca dentro del
volumen al que quiere medirse la temperatura. Un fino tubo capilar
conduce la presin del gas en el bulbo al manmetro, cuya escala ya
ha sido calibrada en grados de temperatura. El termmetro de gas de
volumen constante es muy exacto, y tiene un margen de aplicacin
extraordinario: desde -27 C hasta 1477 C. Pero es ms complicado,
por lo que se utiliza ms bien como un instrumento normativo para la
graduacin de otros termmetros.
El termmetro de gas a volumen constante se compone de una
ampolla con gas, helio, hidrgeno o nitrgeno, segn la gama de
temperaturas deseada. Los gases al calentarse y enfriarse se
dilatan y contraen, y como en este caso, el gas de trabajo est
confinado a un volumen cerrado el efecto que se produce es el
incremento y la disminucin de la presin cuando se incrementa y
reduce la temperatura.
1. Termmetros a presin de vapor: Los termmetros a presin de
vapor de lquido tienen la misma construccin de los de presin de
gasesexcepto que el bulbo est lleno con un lquido voltil. Otra
diferencia significativa con el termmetro a gases es que en este
caso la escala no est dividida a distancias iguales.
1. Termmetros bimetlicos: Una tira compuesta por dos chapas de
metal de diferentes coeficientes de dilatacin ("bimetal"),
laminadas entre s en forma inseparable, se deforma a consecuencia
de un cambio de temperatura. La curvatura resultante es casi
proporcional al cambio de temperatura.
1. Termmetros a termo resistencia: Estos termmetros se basan en
el cambio de resistencia elctrica de las sustancias conductoras de
la electricidad cuando cambia su temperatura. Como elemento sensor
de estos termmetros pueden usarse conductores metlicos o
semiconductores.
Los conductores metlicos cambian ligeramente su resistencia
elctrica cuando cambian de temperatura; Los semiconductores tienen
el efecto contrario, disminuyen notablemente la resistencia
elctrica con el aumento de la temperatura.
1. Termmetros termopares: Un par trmico (o pila termoelctrica)
consta de dos cables de metales diferentes unidos, que producen un
voltaje que vara con la temperatura de la conexin.
Cuando se sueldan en un extremo dos conductores de diferente
naturaleza, y esta unin soldada se somete a una temperatura
diferente a la de los extremos libres se produce una pequea
diferencia de voltaje en estos extremos libres. Se emplean
diferentes pares de metales para las distintas gamas de
temperatura, siendo muy amplio el margen de conjunto: desde -248 C
hasta 1477 C. El par trmico es el termmetro ms preciso en la gama
de -631 C a 1064 C y, como es muy pequeo, puede responder
rpidamente a los cambios de temperatura.
1. Pirmetros de radiacin: El pirmetro de radiacin se emplea para
medir temperaturas muy elevadas. Se basa en el calor o la radiacin
visible emitida por objetos calientes y mide el calor de la
radiacin mediante un par trmico o la luminosidad de la radiacin
visible, comparada con un filamento de tungsteno incandescente
conectado a un circuito elctrico. El pirmetro es el nico termmetro
que puede medir temperaturas superiores a 1477 C.
1. Pirmetros de absorcin-emisin: Se utilizan para determinar la
temperatura de gases. Estos pirmetros se basan en el hecho de que
los gases pueden absorber en mayor o menor medida las radiaciones
electromagnticas de ciertas longitudes en dependencia de su
temperatura. Para la medicin, el pirmetro emite un haz de
radiaciones electromagnticas calibradas que se hacen pasar a travs
del gas, luego se mide la intensidad y se compara con la original,
las prdidas de radiacin permiten obtener la temperatura del
gas.
1. Termmetros de radiacin infrarroja: Los termmetro infrarrojos
pueden detectar las radiaciones no visibles y convertirlas a un
valor de temperatura en una escala o en una pantalla digital
utilizando captadores muy sensibles que pueden determinar las
radiaciones de cuerpos relativamente fros. Son aparatos electrnicos
bastante complejos.
4.- EXPLIQUE EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TERMOPAR.
El principio de funcionamiento del termopar - efecto
termoelctrico. Se basa en la medicin de que la diferencia de
potencial es proporcional a la diferencia de temperatura resultante
de los conductores de diferentes materiales. El voltaje generado
guarda una relacin fija con la diferencia de temperatura entre el
punto fro y el punto caliente. Designacin directa de los termopares
de medida temperaturas muy altas. En primer lugar hay un termopar
Cromel-Kopel (TCA), que se utiliza a temperaturas no superiores a
800 C, el segundo ms grande de cobre-Kopel, seguido en orden
descendente -. El hierro-Kopel (hasta 760 C) Estabilidad prolongada
de termopares con caractersticas termoelctricas y el uso de
electrodos de Copel puede mantener la capacidad de la aleacin a una
temperatura no superior a 500 C.
5.- CMO VARIARAN LOS RESULTADOS DEL EXPERIMENTO DE CALIBRACIN
DEL TERMOPAR, S NO SE HUBIESE USADO HIELO EN LA PUNTA FRA?
Al no usar hielo en la punta fra del termopar, los resultados no
fueran los mismos, debido a que el termopar funciona con la
variacin de la diferencia de potencial que se registran entre 2
cuerpos a temperaturas diferentes. 6.- QU SON Y CMO SE MIDEN LAS
TEMPERATURAS ESTTICAS Y DINMICAS DE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO?
La temperatura Esttica: es la que existe slo en virtud de la
energa interna del aire. Si una proporcin de la energa interna se
convierte en energa cintica, la temperatura esttica
consecuentemente disminuir.
Esaquellaquepermaneceaproximadamenteconstantementereferencindosea
losfluidosconvelocidades despreciables en los cuales se puede
aproximar a la temperatura total.Temperatura Dinmica: Corresponde
al aumento de temperatura del gas al llevarlo de forma adiabtico
hasta el reposo esta temperatura viene expresada por el trmino.
7.- LA CAPACIDAD DE CALOR ESPECIFICO DE UN SISTEMA DURANTE UN
CIERTO PROCESO VIENE DADA POR CN=(0.4+0004.T) KJ/KG.C. SI LA MASA
DEL GAS ES DE 6 KG Y SU TEMPERATURA CAMBIA DE 25 A 125 DETERMINE:
(A) EL CALOR TRANSFERIDO, Y (B) EL CALOR ESPECFICO MEDIO DEL
GAS.
(A)Q= q=70 kJ/kG Q= Q=q*m
Q=0.4+0.004 Q= 420KJ(B)
= (0.4+0.004(125) =(0.4+0.004(25)0.9 =0.5
Cn==0.7KJ/KG
8. Una escala de temperatura de cierto termmetro est dada por la
relacin T=a donde a y b son constante y p es la propiedad
termomtrica del fluido en el termmetro. Si, el punto de hielo y en
el punto de vapor, las propiedades termomtricas se determinan por
1.5 y 7.5 respectivamente Cul ser la temperatura correspondiente a
la propiedad termomtrica de 3.5 en la escala Celsius?
T=a
Para
Calcules T=? Para p=3.5
De I b=-a.; saturado
100=a.-a 100=a.(-)
d== 62.1335 b= -25.93
T= (62.1335.-25.193)= 52.64
10. Se desea calibrar un termopar de platino contra uno de
platino-rodio y se utilizaran en el intervalo de temperatura
descrito como intervalo de 3 en la norma ITS-90. Durante la
calibracin, las lecturas de la FEM (FUERZA ELECTROMOTRIZ) del
termopar en microvoltios son 5858,9147 y 1033 en los puntos de
congelacin del aluminio, plata y del oro, respectivamente. Suponga
una relacin polinomial de la forma.
FEM=Co+C1*T+C2*T2
Determine la temperatura si el termopar registra una lectura de
7500VPunto de congelacin del aluminio: 933,473 KPunto de congelacin
de la plata: 1234,93 KPunto de congelacin del oro: 1337,33 KSe
construye un sistema de
ecuaciones:5858=Co+933,473*C1+(933,473*C2)29147=Co+1234,93*C1+(1234,93*C2)21033=Co+1337,31*C1+(1337,31*C2)2Al
resolver este sistema utilizando Calculadora HP 50g se obtienen los
valores de C:Co: -261647,73C1: 494,93C2:
-0,223Sustituyendo:FEM=-261647,73+494,93*T-0,223T2Se evala la
fuerza electromotriz a la que se desea la temperatura y se resuelve
como una ecuacin de segundo grado utilizando la calculadora antes
mencionada, obteniendo:T1= 1266,27T2= 953,14
APENDICE C: ANEXOSMUESTRA DE DATOS
Tiempo (s)Termmetro de Mercurio (C)Termmetro Bimetlico
(C)MultmetroDigital (mV)MultmetroDigital (C)
041401,938
604240240
12045402,244
18050402,448
24055452,652
30058502,856
36064553,162
42068603,366
48074653,672
54078703,876
6008478480
66088804,386
72090854,590
78094904,692
84096904,896
960100955100
1020100955100
1080100955100
ANEXOS
Montaje de equipos y materiales usados en el laboratorioFuente:
Laboratorio de Termodinmica. UDO Anzotegui
Termmetro bimetlicoFuente: Laboratorio de Termodinmica. UDO
Anzotegui
Figura C.1: Curva caractersticas f.e.m. temperatura de los
termopares