Trabajo Práctico sobre
Termómetros
Trabajo Práctico Química 2003
U.T.N Facultad Regional La Plata
Alumnos: GRANAVETTER – LAZO - SCHROEDER
Comisión: 62
Un poco de historia...
La temperatura de los cuerpos es un concepto que el hombre primitivo
(precientífico) captó a través de sus sentidos. Si tocamos dos piedras iguales,
una a la sombra y otra calentada por el sol (o por el fuego de una hoguera)
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 y poco matizadas. 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.
Termómetros e Industria
Toda industria química requiere de una alta dosis de tecnologías de la
información. La utilización de las computadoras en sus más
diversas formas resulta fundamental en actividades relacionadas
con control automático de procesos, así como también de
supervisión y operación local y remota.
La medición de temperatura es uno de los tantos aspectos que esta
incluído en la supervisión, sea esta local o remota.
Los termómetros más utilizados son los infrarojos y los llamados
“termocupla”.
Termómetros Infrarojos
En el pasado, la medición de temperatura de
superficie era lenta e involucraba
procedimientos. Para tomar una medición de
temperatura, era necesario estar en contacto
con la superficie del objeto.
¿ Que sucede si el objeto esta demasiado caliente
como para aproximarse ? ¿Que pasa si la
superficie es muy pequeña ? ¿Cómo hacer para
medir la temperatura constantemente?. Estos
problemas fueron resueltos con los avances en
la medición de la temperatura utilizando
tecnología infraroja.
Con un termómetro infrarojo portatil, como el que
se puede ver en la imagen, el usuario apunta el
instrumento hacia el objeto y apreta el gatillo
para ver la tempratura.
Los termómentros infrarojos varían en forma,
tamaño, y funcionalidad. Sin embargo, todos
ellos proveen importantes ventajas por sobre
las técnicas previas 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 Infrarojos, es importante
entender como funcionan. Todos los objetos emiten energía infraroja. Cuanto mas
caliente esta un objeto, mas activas estan sus moléculas, y más energía infraroja
emite. Los termómetros infrarojos captan la energía infraroja emitida por un objeto
y enfoca 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.
El mayor avance de estos termómetros es la habilidad de tomar mediciones de
temperatura de objetos calientes, peligrosos, o difíciles de alcanzar sin contacto.
Con los termómetros infrarojos estandars, las mediciones pueden tomarse desde
unos pocos centímetros hasta 3 metros de distancia desde el objeto. Los
termómetros infrarojos usualmente estan disponibles con lasers, que se usan
para ayudar al usuario a definir el area de la cual intenta tomar medición.
Los termómetros infrarojos son ideales para monitorear la temperatura de equipos
que estan muy calientes como para ser tocados.
Los termómetros infrarojos estan disponibles en múltiples estilos desde portátiles
hasta fijos
Los termómetros infrarojos son altamente exactos comparados con otros métodos
de medición de la temperatura. La mayoría de los termómetros infrarojos opera en
un rango de exactitud de ±1.0 - 3.0% °F , mientras que las pruebas de termocupla
tienen una exactitud de ±1.8-7.9 % °F.
Otra característica común de un termómetro infrarojo es aun amplio rango de
temperatura. Los termómetros infrarojos básicos pueden medir hasta
538°C, mientras que otros mas especializados pueden tomar lecturas de
hasta 3000°C.
Además, el tiempo que demora en ofrecer
una respuesta es de apenas medio
segundo. A pesar de los numerosos
beneficios de la medición infraroja de
temperaturas, hay algunas desventajas que
son necesarias mencionar. Es dificultoso
tomar mediciones de temperatura de
superficies reflectivas usando termómetros
infrarojos.
Por ejemplo, toman la energía emitida y
reflejada salvo que sean ajustados para
tomar solo la emitida. Además, si se intenta
medir la temperatura de un objeto a través
de un vidrio generalmente se obtiene la
temperatura de la superficie del vidrio, salvo
que el vidrio este hecho de un material
especial como el germanio.
Termocupla
Las termocuplas son el sensor de temperatura más ampliamente usado
en la industria. 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.
En la imagen de la derecha puede
observarse una termocupla de tipos j,
k, t, e, r, s, n, y también b.
Tipos de termocuplas
Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras
elaboradas por el Instrument Society of America (ISA).
Tipo B ( PtRh 30% - PtRh 6%)
Las ventajas de la termocupla Tipo B sobre la Tipo R o Tipo S son su
capacidad para medir temperaturas levemente más altas, su mayor
estabilidad y resistencia mecánica, y su aptitud de ser utilizada sin
compensación de junta de referencia para fluctuaciones normales
de la temperatura ambiente. Las termocuplas Tipo B resultan
satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a
temperaturas hasta 1.700º C. También resultan satisfactorias
durante cortos períodos de tiempo en vacío.
Las desventajas de la termocupla Tipo B son su baja tensión de salida
y su incapacidad para ser utilizada en atmósferas reductoras (como
ser hidrógeno o monóxido de carbono) y cuando se encuentran
presentes vapores metálicos (eso es, de plomo o zinc ) o no
metálicos (eso es, de arsénico, fósforo o azufre).
Tipo R (PtRh 13% - Pt )
Las termocuplas Tipo R pueden ser utilizadas en forma continua en
atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.400º C. No son tan estables
como las Tipo B en vacío. La ventaja de la termocupla Tipo R sobre
la Tipo B es su mayor fem de salida.
Se aplican las siguientes limitaciones al uso de las termocuplas Tipo R:
•
Nunca se las deben usar en atmósferas reductoras, ni tampoco en
aquellas que contienen vapores metálicos o no metálicos u óxidos
fácilmente reducidos, a menos que se las protejan adecuadamente
con tubos protectores no metálicos.
Tipo S (PtRh 10 % - Pt )
La termocupla Tipo S es la termocupla original platino-rodio. Es el
estándar internacional para la determinación de temperaturas entre
el punto de solidificación del antimonio 630,74º C y el punto de
solidificación del oro 1.064,43º C.
Las termocuplas Tipo S, igual que las Tipo R, pueden ser utilizadas en
forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.480º C.
Tienen las mismas limitaciones que las termocuplas Tipo R y Tipo B
y también son menos estables que la termocupla Tipo B cuando se
las utiliza en vacío .
Tipo J (Fe - CuNi )
La termocupla Tipo J es la conocida como la termocupla hierro constantán. El hierro es el conductor positivo, mientras que para el
conductor negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y
45 % de níquel (constantán).
Las termocuplas Tipo J resultan satisfactorias para uso continuo en
atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C.
Por encima de 540º C, el alambre de hierro se oxida rápidamente,
requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender
su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J
es su bajo costo.
Las siguientes limitaciones se aplican al uso de las termocuplas Tipo J:
•
No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540º C.
•
A causa de la oxidación y fragilidad potencial , no se las recomienda
para temperaturas inferiores a 0º C .
•
No deben someterse a ciclos por encima de 760º C , aún durante
cortos períodos de tiempo, si en algún momento posterior llegaran
a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperatura.
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.
Tipo T (Cu - CuNi )
La termocupla Tipo T se conoce como la termocupla de cobre
constantán. Resulta satisfactoria para uso continuo en vacío y en
atmósferas oxidantes, reductoras e inertes. Su desventaja reside en
él hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo
370º C para un diámetro de 3,25 mm.
Tipo E ( NiCr - CuNi )
La termocupla Tipo E, o Chromel-constantán, posee la mayor
fem de salida de todas las termocuplas estándar .Para un
diámetro de 3,25 mm su alcance recomendado es - 200º C
a 980º C.
Estas termocuplas se desempeñan satisfactoriamente en
atmósferas oxidantes e inertes, y resultan particularmente
adecuadas para uso en atmósferas húmedas a temperaturas
subcero a raíz de su elevada fem de salida y su buena
resistencia a la corrosión. La termocupla Tipo E es mejor
que la Tipo T, para este propósito a causa de su mayor
salida y puesto que la conductividad térmica del alambre de
Chromel es menor que la del alambre de cobre de la
termocupla Tipo T.
Ecuaciones de conversión de
temperaturas
• Desde °C a °F = (1.8 x °C) +32
• Desde °F a °C = (°F-32) x 0.555
• Desde °C a Kelvin = °C + 273.2
• Desde °F a °Rankin = °F + 459.67
Fuentes
•
Bibliografía:
– Análisis Instrumental, de Skoog.
•
Sitios Web:
– http://www.coleparmer.com
– http://www.fisicarecreativa.com
– http://www.sapiens.itgo.com/medicion_de_temperatura/termocup
las.htm
– http://www.edu.aytolacoruna.es/
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