Lab Termodinmica 05-06

CALIBRADO DE UN TERMOPAR

1. OBJETIVOS Se trata de calibrar un termopar de cobre-constantan a partir de la medida de su fuerza electromotriz (f.e.m.) a ciertas temperaturas conocidas (punto de fusin de algunas substancias qumicas y los puntos de hielo y de vapor del agua). El uso de la curva de calibrado nos permitir emplear dicho termopar como termmetro. Los objetivos que pretendemos alcanzar en esta prctica son los siguientes: a) Obtener la curva de calibrado de un termopar de cobre-constantan a partir de algunas temperaturas conocidas. b) Determinacin de la f.e.m. correspondiente al punto de fusin de dos sustancias. c) Comparacin de una medida de temperatura hechas con un termmetro y con un termopar.

2. MATERIALTermopar cobre-constantan. Recipiente de vidrio pyrex para calentar agua. Termmetro. Polmetro para medir la f.e.m. del termopar. Mechero Bunsen con soporte y rejilla. Tres tubos de ensayo grandes: tubo 1 (agua destilada) tubo 2 (parafina temp. de fusin 53 C) tubo 3 (naftaleno. Temp. de fusin 80.5 C).

3. FUNDAMENTO FSICO DEL EFECTO TERMOELCTRICO

Cuando existe un gradiente de temperaturas en un metal, los electrones libres (electrones de conduccin) tienen energas trmicas superiores en el extremo ms caliente (T = Th) que en el extremo fro (T = Tc). Esto origina una difusin de electrones desde el lado caliente al fro. Dicho efecto recibe el nombre de "Efecto Thomson" (William Thomson, "Lord Kelvin", 1851). La difusin de electrones debido al gradiente trmico provoca un campo elctrico proporcional a dicho gradiente, hasta que se establece el equilibrio provocado por el campo electrosttico. De este modo se origina una f.e.m. del orden de unos pocos mV entre los extremos del metal, que se denomina f.e.m. Thomson o f.e.m. trmica. Este mismo fenmeno tambin ha sido observado a travs de la unin de dos metales diferentes con funciones trabajo distintas.

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Cmo se produce la difusin de electrones a travs de la unin? Consideremos un electrn que pasa del metal 1 al metal 2; su velocidad se ver incrementada por el campo electrosttico ya que ste es atractivo; al ser esta energa cintica superior a la media, tender a cederla por medio de choques con los dems electrones y se generar un calentamiento. Lo contrario suceder para un electrn que pasa del metal 2 al 1 a travs de la unin, dando lugar a un enfriamiento como consecuencia de la disminucin de la energa cintica. En circuito abierto estos efectos se compensan. Ahora bien, si aplicamos una f.e.m. externa a travs de la unin para producir un flujo neto de electrones desde el metal 2 al 1; entonces existir un efecto neto de enfriamiento en la unin. Inversamente, una f.e.m. aplicada para pasar electrones del metal 1 al 2 producir un efecto de calentamiento en la unin. A estos efectos se les denominan colectivamente " Efecto Peltier". Ntese que dicho efecto es diferente del calentamiento por efecto Joule, que est siempre presente. As pues, si unimos dos metales diferentes por ambos extremos para formar un circuito completo, circular a lo largo del mismo una corriente neta de electrones si las uniones estn a distinta temperatura. Esta combinacin de los efectos Thomson y Peltier se denomina " Efecto Seebeck". El circuito mencionado se denomina Termopar (figura 1).

Figura 1. Soldaduras que forman un termopar. Estudios empricos muestran que 1 2 ( Th , Tc ) = ( Th Tc ) + ( Th Tc ) , 2 siendo y constantes caractersticas de los metales que forman el termopar. En la actualidad, los termopares industriales se construyen colocando una soldadura en el extremo de una vaina de aluminio o cermica y la otra soldadura fuera de la vaina en contacto con la atmsfera, a la temperatura ambiente. Por ello, al medir la fuerza electromotriz del termopar situando ste por debajo de la temperatura ambiente de un recinto, la fuerza electromotriz que indicar el polmetro ser cero. Este tipo de termopares es el que vamos a utilizar en las prcticas de laboratorio.

4. MTODO OPERATIVO La figura 2 representa el montaje mediante el cual puede medirse la f.e.m. ( ) generada en el termopar que se dispone en la prctica.

Figura 2. Montaje para medir la f.e.m.

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Conexin del termopar La soldadura (1) del termopar (no visible, porque est contenida en una vaina metlica) se coloca en contacto con la muestra cuya temperatura deseamos medir. sa es la soldadura fra o soldadura de referencia del termopar. La otra soldadura (2) contenida en la parte exterior de la vaina estar situada siempre a la temperatura ambiente. Hay que procurar que la vaina quede bien centrada en el tubo de ensayo y no toque las paredes de ste. Se mide previamente la f.e.m. que indica el termopar cuando ste se coloca a la temperatura ambiente. Para la calibracin se determina la f.e.m. del termopar para los siguientes puntos: Determinacin del punto de hielo Introducir la punta del termopar en un recipiente con hielo fundente (hielo en equilibrio con agua). Esperar un tiempo prudencial hasta que las soldaduras hayan alcanzado el equilibrio. Anotar la f.e.m. del termopar que marca el voltmetro. Determinacin del punto de vapor Poner agua en el tubo 1 e introducir de nuevo el termopar. Calentar el tubo hasta que hierva el agua. Anotar la lectura de la f.e.m. cuando el sistema est estabilizado. (No tapar completamente el tubo de ensayo puesto que el tapn podra salir despedido como consecuencia de la sobrepresin). Determinacin del punto de fusin de la parafina Calentar al "bao Mara" el tubo 2 hasta que se funda la sustancia slida que contiene. Evtense las posibles sobrepresiones que puedan originarse como consecuencia del calentamiento, aflojando el tapn de goma. Al terminar el calentamiento, una vez que est fundida la sustancia, dejar el tubo en su soporte correspondiente e introducir el termopar en el tubo de vidrio donde se encuentra la parafina procurando que la vaina no toque las paredes del tubo de ensayo. A partir de este momento, y durante 20 minutos, ir anotando cada 30 segundos la indicacin del polmetro. Determinacin del punto de fusin del naftaleno Repetir todas las operaciones del apartado anterior con el tubo 3, que contiene naftaleno. Determinacin de la temperatura del agua del grifo Introducir la soldadura de medida del termopar en un tubo con agua del grifo y anotar la f.e.m. del termopar. Mdase tambin la temperatura con un termmetro, para comparar posteriormente ambas medidas.

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5. PRESENTACIN DE RESULTADOS 1. Representar las grficas (t) obtenidas para los tubos 2 y 3 correspondientes a la obtencin de los puntos de fusin del naftaleno y parafina. La zona horizontal que se obtiene en las figuras (temperatura constante durante un intervalo de tiempo) nos permite obtener el valor de correspondiente al punto de fusin de la sustancia. 2. Representar los puntos de fusin de las substancias qumicas, el punto de hielo y el punto de vapor del agua en una grfica (T). En el intervalo de temperaturas utilizado esta figura es aproximadamente una recta. Obtener la ecuacin de dicha recta (con los errores correspondientes ala pendiente y a la ordenada en el origen) mediante un ajuste lineal de los cuatro pares de valores anteriores. Determinar la temperatura del agua del grifo con la grfica de calibrado y su error y comparar dicho valor con el valor medido con un termmetro.