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PAGE 16Laboratorio de Ingenieria Mecanica I

Medicion de Temperatura

I) OBJETIVO:

Adiestrar al alumno en la realizacin de mediciones de temperatura utilizando diferentes tipos de instrumentos llamados termmetros , sobre una misma sustancia tomando como patron de referencia el termmetro de mayor precision y en base a ello establecer las comparaciones con los demas instrumentos atraves de una curva de calibracin.

II) FUNDAMENTO TEORICO:

La temperatura de una sustancia puede ser determinada midiendo cualquier propiedad de la sustancia que sea funcin de su temperatura. Dado que no es conveniente la medicin directa de propiedades de la mayora de los cuerpos, se pone un instrumento sensible a la temperatura en contacto con el cuerpo cuya temperatura quiere medirse. S e supone que la temperatura del instrumento sensible se hace igual a la del cuerpo con el que est en contacto. Esta hiptesis de la igualdad de las temperaturas no siempre est justificada. Hay muchas propiedades mensurables del instrumento sensible a la temperatura, tales como volumen, presin, resistencia elctrica, efecto termoelctrico, efecto radiante o puntos de fusin o ablandamiento.

PATRONES DE TEMPERATURA

Antes de estudiar mtodos para la medicin de la temperatura, es conveniente discutir la cuestin de los patrones y las escalas de temperatura. El establecimiento de un patrn cualquiera de temperatura requiere un dato para fijar la temperatura cero. En el sistema centgrado, la temperatura cero es la temperatura del hielo fundente a la presin atmosfrica normal. La temperatura de ebullicin del agua destilada, a la presin atmosfrica normal, se toma como 100C. Un grado centgrado, por lo tanto, es la centsima parte de la diferencia de temperatura entre la del hielo fundente y la del agua hirviente.

En la escala Fahrenheit, la temperatura del hielo fundente se toma como de 32F, y la del agua hirviente, como de 212F. Por lo tanto hay 160 grados Fahrenheit entre el punto de fusin y el punto de ebullicin del agua, y cada grado centgrado representa una variacin de temperatura de 1,8 grados Fahrenheit.

Se puede pasar de la escala centgrada a la escala de Fahrenheit, y viceversa, mediante las formulas

F = 32+1,8C

C =

Dado que los ceros de las escalas centgrada y Fahrenheit son puramente arbitrarios, es deseable identificar un cero absoluto de temperatura. Recrrese para ello a la teora cintica de los gases ideales. Se sabe que, a medida que la temperatura de un gas se reduce, sus velocidades moleculares tienden a cero. El cero absoluto de temperatura puede imaginarse como la temperatura para la cual las velocidades moleculares de un gas ideal son nulas.

La temperatura nos resulta familiar a todos como la medida del grado de calor o fro de los cuerpo. con mas precisin, es una medida de la energa cintica molecular interna media de un cuerpo, otra definicin nos dice que la temperatura es el agente que hace que el calor flujo de una regin de lata temperatura a otra de temperatura mas baja.

Estas definiciones no estn en conflicto, sino que son complementaria. En virtual de sus velocidades moleculares, los cuerpos poseen cierta energa. La temperatura puede considerarse que posee una alta energa molecular media se pone en contacto con otra de menor energa molecular media, hay un flujo de energa en forma de calor de la sustancia de mayor temperatura a la sustancia de menor temperatura.

Es imposible medir directamente la energa molecular media de un cuerpo. es tambin difcil medir la cantidad de calor que fluye cuando hay una diferencia de temperatura. Por lo tanto, es necesario recurrir a mtodos indirecto para la medicin de la temperatura.

La temperatura de una sustancia puede ser determinada midiendo cualquier propiedad de la sustancia que sea funcin de su temperatura. Dado que no es conveniente la medicin directa de propiedades de mayora de los cuerpos, se pone un instrumento sensible a la temperatura en contacto con el cuerpo cuya temperatura quiere medirse.

Hay muchas propiedades mensurables del instrumento sensible al a temperatura, tales como volumen, presin, resistencia elctrica, efecto termoelctrico, efecto radiante o puntos de fusin o ablandamiento.

Por ejemplo, es muy difcil definir la temperatura de modo que termmetros diferentes concuerdan entre si en la medida del a temperatura de una sustancia. Sin embargo, las propiedades de los gases a bajas densidades nos permite definir una escala de temperatura o construir termmetros de gases cuyas.

Indicadores Bimetalicas

Son elementos sensibles a la temperatura, los cuales consisten en dos tiras degaldas de metales distintos que tienen coeficientes de expansin diferentes, que estn soldados conjuntamente y forman una hlice. Un extremo del a hlice est asegurado al vstago de acero inoxidable el otro extremo esta unido al eje del puntero. El movimiento de rotacin de la hlice ocasionado por los cambos de temperatura, se transmite a travs del eje al puntero.

En la parte de atrs de la cubierta existe un tornillo de reajuste del cuadrante que esta diseado para reajustar el cuadrante del indicador si el indicador tuviera ellos. Cuando se le de vueltas al tornillo se hace rotar el cuadrante por medio de un mecanismo de engranaje conectado al tornillo y al cuadrante. Los termmetros de este tipo se usan mucho en la industria para indicar la temperatura en instalaciones permanentes.

Precauciones necesarias para la medicin de temperaturas.

Segn ya se ha dicho en este capitulo, la medicin de precisin de temperaturas son extremadamente dificultosas, en particular cuando la temperatura por medir difiere mucho del a temperatura ambiente no es aconsejable limitarse. Demasiado a la insercin de un instrumento en un fluido, observar la lectura y quedar convencidos de que la lectura obtenida expresa la verdadera temperatura del liquido. Los ASME Power Test Codes destacan estas dificultades, y imposible en ciertas condiciones segn el estado actual de nuestros conocimientos.

Las precauciones generales que deben adoptarse para hacer mediciones de temperatura pueden resumirse como sigue:

1. Si hay variacin de temperatura (y generalmente la hay) a travs de la masa del slido o del fluido cuya temperatura se desea medir, eljase un punto de medicin en el que se sepa que prevalece la temperatura media.

2. A seguirse de que el elemento termosensible asume una temperatura igual a la del slido o el flujo con el que esta en contacto. A menos que se adopten las precauciones convenientes, el elemento sensible intercambia calor por radiacin y conduccin con el ambiente.

3. el elemento indicador o registrador de temperatura debe ser elegido de modo de conservar la presin deseada de la medicin de la temperatura del elemento sensible.

4. si el dispositivo medidor de temperatura es del tipo indicador, deben adoptarse las precauciones adecuadas para leerlo correctamente.

Cuando hay que medir temperaturas fluctuante, la capacidad trmica del elemento sensible debe ser lo menor posible. No obstante, un elemento sensible muy pequeo carece por lo general de la robustez suficiente para soportar posibles vibraciones y su vida ser muy breve cuando se lo ase pasar medir la temperatura de sustancias qumicamente activas y a altas temperaturas. Por lo general es necesario llegar a una solucin compromisoria entre ambos factores pero debe saberse que esta solucin conduce a errores de medicin.

En muchos casos, es muy difcil medir la temperatura de una superficie. Esto es particularmente valedero cuando la temperatura de la superficie difiere muchos de la temperara ambiente y hay un gradiente apreciable de temperatura dentro del slido cuya temperatura superficial se mide. Si el elemento sensible elegido es de tamao apreciable y se apoya sobre la superficie adopta una temperatura intermedia entre la de la superficie y la del fluido que cubre la superficie. Si se lo aloja en una ranura cortada en la superficie, tiene a adoptar la temperatura del slido debajo de la superficie luego, un prerrequisito de esta medicin es el de la seleccin de un elemento sensible muy pequeo, tal como una termocupla de alambres muy finos. Este elemento debe estar parcialmente alijado en una ranura practicada en la superficie.

La superficie intercambia calor por radiacin con el ambiente. La termocupla, u otro elemento sensible, har lo mismo rgimen, el elemento termosensible no estar a la misma temperatura que la superficie. Cuando mas finos sean los alambres de la termocupla, tanto mas se aproximar la temperatura de esta a la de la superficie. Puede ser necesario modificar la naturaleza de la superficie del elemento termosensible si su emisividad difiere mucho de la superficie cuya temperatura se mide. De hacerlo as, no hay que agregar nada al elemento sensible que puede actuar como un aislador.

Segn se ha dicho, antes cuando la diferencia de temperatura es pequea, su determinacin precisa resulta difcil. En muchos casos, un error de 1C en la medicin de una de las temperaturas resulta en un error relativo muy importante en la medicin del a diferencia, en tales casos la solucin parece hallarse en el uso de instrumentos capaces de medir con una medicin de fraccin de grado. Desafortunadamente, puede llevar meses conseguir un instrumento de este tipo y, por lo tanto, puede ser necesario recurrir a los instrumentos disponibles, con su propia precisin.

Los fabricantes de alambres para termocuplas suministra tablas de calibracin para diversos combinaciones de termocupla. Dado que la mayor de los fabricantes tratan con el mayor cuidado de mantener los metales muy uniformes, estas tablas o grficos pueden ser utilizadas para los trabajos corrientes. Para trabajos de precisin y para la medicin de pequeas diferencias de temperaturas cada termocupla debe ser calibrada individualmente.

CALIBRACIN DE LOS INSTRUMENTOS PARA MEDIR TEMPERATURAS.

El primer paso en la calibracin de un instrumento para medir temperatura es el de la seleccin de un patrn. Los patrones primarios son los enumerados en la tabla.

Estos patrones primarios se usan muy raramente, hay varias razones para ello, en primer lugar, las temperaturas dadas en la tabla se refiere a la presin atmosfrica normal de 1.033 kg/cm2. la variacin del a presin atmosfrica causa una correspondiente variacin de las temperaturas,. Estas dificultad puede salvarse manteniendo artificialmente la presin atmosfrica normal o introduciendo las correcciones del caso. En segundo ligar, toda impureza presente en las sustancias especificadas en la tabla causar una variacin de las temperaturas. Adems las sustancias enumeradas en la tabla permitirn calibrar solo puntos muy separados de la escala y no valores intermedios. Por estas razones, un mtodo mas satisfactorios para calibrar instrumentos para medir temperatura es el de compararlos con instrumentos que han sido calibrados y certificados por laboratorios reconocidos.

El Bureau of Standards calibra y certifica tres tipos de instrumentos patrones: termmetros de resistencia de platino, termmetro de platino platino rodio y termmetros pticos, adems de termmetros de mercurio en vidrio tienen una precisin suficiente para la mayora e los trabajos de ingeniera.

Deben tomarse las precauciones necesarias, especialmente cuando se desea precisin, para asegurar de que el termmetro patrn y el termmetro que se calibra estn a la misma temperatura. Estos puede conseguirse sumergindose los dos termmetros en un bao bien aislado que se mantiene en agitacin. El termmetro patrn debe estar lo mas cerca posible al termmetro que se calibra, pero sin tocarlo; si los termmetros estn graduados para inmersin total, debe cumplirse esta condicin. Si son de inmersin parcial, se los debe sumergir justamente hasta la marca de inmersin parcial que llevan grabada. El elemento calefactor debe ubicarse en un punto alejado de los termmetros y estar controlado por un termostato sensible, para evitar la aplicacin repentina de grandes cantidades de calor, esto es esencialmente, puesto que las capacidades trmica, y por lo tanto las respuestas de temperatura, pueden no ser iguales para los dos termmetros. Para temperatura inferiores a 0C el liquido del bao puede ser alcohol, pentano o touol, segn la temperatura. Pueden usarse agua hasta los 95 en las localidades de altitud normal. Un aceite de acuerdo punto de inflamacin permite llegar a temperatura de hasta 300C. Para temperatura mayores. Se recurre al empleo de diversas sales fundidas.

A veces, el equipo de calibracin, tal como un bao controlado termostaticamente con un buen agitador, no se consigue fcilmente. Aun que puede improvisarse un bao utilizando un recipiente cualquiera, deben tomarse entonces muchas precauciones para asegurar un grado razonable de presin. Mientras se toman las lecturas, el calor debe suministrarse muy lentamente como justo en la media necesaria para conservar constante la temperatura del bao. A causa de posibles variaciones en la respuesta de temperatura de los dos termmetros debe repetirse las lecturas a cada temperatura dada hasta que sea evidente que los termmetros han alcanzado la temperatura de equilibrio. Adems el bao debe agitarse justamente antes de tomar la lectura.

Para la calibracin de un termmetro la temperatura del bao debe llevarse al punto mas balo deseado para tomar las primeras lecturas. Aunque la temperatura del bao este termostaticamente controlada es necesario tomar segundas lecturas para cada temperatura dada. Los incrementos de temperatura entre punto de calibracin depende del alcance del termmetro.

Se siguiere que los termmetros comunes para el laboratorio se calibre cada diez divisiones de la escala . as un termmetro de 60C graduado cada medio grado se calibra a 0C, 5C, 10C etc.

Aunque el mtodo de calibracin explicado es principalmente aplicable a los termmetros de liquido en vidrio, los conceptos fundamentales son igualmente aplicables a otros tipos de instrumentos medidores de temperatura. Cuando se calibran termocuplas por medio de un bao este debe ser elctricamente no conductor. Si es conductor la fem producida por la termocupla es mas bien una funcin de la temperatura superficial del bao que de la temperatura a que se halla la soldadura.

PUNTO FIJO DE LA ESCALA INTERNACIONAL

DE TEMPERATURAS (1948)

Punto fijo Temperatura C

Punto del oxigeno...............................182.97

(Temperatura de equilibrio entre el oxigeno libre y su vapor)

punto de hielo..................................0.000

(Punto fijo fundamental, Temperatura de equilibrio entre el hielo y el agua saturada de aire)

punto del vapor.................................100.000

(Punto fijo fundamental, Temperatura de equilibrio entre el agua liquida y su vapor)

pinto del azufre.................................444.6

(Temperatura de equilibrio entre el azufre liquido y su vapor)

Punto de la plata................................960.8

(Temperatura de equilibrio entre plata slida y la plata liquida)

Punto del oro...................................1063.0

(Temperatura de equilibrio entre el oro slido y el oro liquido).

* A la presin atmosfrica normal del 1.033 kg/cm2.

TERMOMETROS DE LIQUIDO EN VIDRIO

El volumen de muchos lquidos aumenta en proporcin casi directa con el aumento de la temperatura. Por lo tanto, un termmetro de liquido en vidrio permite correlacionar las variaciones de volumen de un liquido con las variaciones de su temperatura. La figura 3.1 ilustra una forma comn de este tipo de termmetro. Debe observarse que este termmetro en particular consiste en un bulbo de vidrio que contiene la mayor parte del liquido, un fino tubo capilar y un pequeo bulbo en la parte superior. Una pequea variacin del volumen total provoca una apreciable variacin del nivel liquido en el capilar. El pequeo bulbo superior (que no siempre se encuentra en los instrumentos de menor precio) constituye un deposito para el liquido en caso de que la temperatura exceda el alcance del instrumento.

El mercurio se congela a aproximadamente 38C y hierve a aproximadamente 357C el punto de ebullicin aumenta con la presin y es de aproximadamente 550C a una presin de 12Kg/cm2. los vidrios ordinarios usados en los termmetros son satisfactorios para temperaturas de 400 a 550C segn la clase. El cuarzo fundido es satisfactorio para temperaturas del orden de 700C. cuando los termmetros se calientan por arriba de esas temperaturas el bulbo no vuelve a adquirir ya su volumen original y la calibracin resulta perjudicada. Por lo tanto los termmetros de mercurio en vidrio pueden usarse para temperaturas comprendidas entre unos 35C y 650C. no obstante para temperaturas superiores a los 350C, el vidrio debe elegirse con muchos cuidado y el capilar debe llenarse con un gas inerte para impedir que el mercurio entre en ebullicin.

Para temperaturas inferiores a 35C puede utilizarse el alcohol metlico que congela a 97C o el alcohol etlico, cuyo punto de fusin es lina para hacerlo visible. Dado que el alcohol hierve a una temperatura menor que 100C a menos que se lo someta a una presin mayor que la atmosfrica, los termmetros de alcohol no se utilizan para temperaturas superiores a los 90 a 120C. el alcohol es el liquido termometrico utilizado en los termmetros domsticos corrientes. Para medir temperatura demasiado bajas para el alcohol, se utiliza el toluol, o hasta los 185C el pentano.

La precisin de un termmetro de lquido en vidrio depende de la uniformidad del capilar. Los termmetros domsticos comunes pueden tener errores de algunos grados. Los termmetros comunes de mercurios, para laboratorios, deben tener una precisin del orden de la menor divisin de la escala, esato es, de 0,5 al grado hasta los 350C y de 2,5 a 5 grados hasta los 650C. para trabajos especiales, se construyen termmetros de mercurio graduados en 1/10, 1/20, 1/100 y hasta 1/200 grado. La precisin de estos termmetros deben ser, tambin del mismo orden de la graduacin menor en los trabajos de alta precisin general. Esto es particularmente velero cuando se trata de medir diferencias de temperaturas pequeas en comparacin con la temperaturas total. Supongamos, por ejemplo, que se enfra agua de 75C a 70C. Si se utiliza un termmetro que tiene una precisin de 0,5C, el error en la determinacin de la diferencias de temperatura pueden alcanzar a = 10 por siente.

A monos que la precisin del fluido cuya temperatura desea sea sustancialmente la misma que la atmsfera , es difcil usar un termmetro de liquido en vidrio para ,la medicin directa, a causa de las fugas en torno al termmetro. En estas condiciones, se recure a un pozo para termmetro. Hay que tomar muchas precauciones al disear e instalar un pozo deben ser lo suficientemente fuerte como para resistir la presin mxima en el fluido en que se sumerge. Al mismo tiempo, su capacidad trmica del material debe ser elevada. Sin embargo, si la conductividad es muy grade, se conducir calor desde el fondo del pozo y la temperatura indicada ser errnea por defecto. Esto es particularmente vlido cuando la temperatura del fluido es muy alta. Para eliminar la cada de temparatura entre las paredes del pozo y el termmetro, debida a la presencia de aire, se llena el pozo con aceite pesado o mercurio. Si la temperatura es muy alta, se utiliza eliacin de soldar o estao. Para mayor informacin acerca del empleo de pozos para termmetro, vanse los ASME Power test Codes, informacin on instruments and Apparatus, Parte 3, Cap.6

Dando que el termmetro de liquido en vidrio es frgil y se rompe fcilmente, a menudo se lo acoraza ( figura 3.2 ), especialmente para su semiporttil. En las instalaciones fijas que utilizan termmetros industriales del tipo ilustrado por la figura 3.3. tratndose de trabajos de precisin, la precisin del termmetro zcorazado es discutible y nunca debe usarse un termmetro industrial. Esto es porque el metal que rodesa el termmetro aleja a el calor del termmetro el calor del termmetro y, adems, lo pierde por radiacin. Muy a menudo, la escala de los termmetros industriales est grabada sobre una tira metlica separable mas bien que directamente sobre el vidrio. Por lo tanto, la escala puede hallarse desplazada respecto de su posicin correcta.

Para alta presin se emplean los llamados termmetros de inmersin total. Son termmetros que han sido calibrados por su fabricante con la escala total mente sumergida. Los termmetros de inmersin parcial tiene una marca grada que indica hasta donde deben ser sumergidos para que la calibracin sea valida. Dado que la temperatura del aire que rodea la varilla del termmetro causa una conduccin de calor alejndolo del bulbo, los termmetros de inmersin parcial conservarn su precisin solo cuando las condiciones del aire (esto es temperatura y velocidad) que idea la varilla sean las mismas que existan en la momento de la calibracin.

Si un termmetro de inmersin total se utiliza en inmersin parcial, debe introducirse una correccin para tomar en cuenta el efecto de la parte emergente. Para ello, debe adosarse un termmetro mas pequeo a la varilla del termmetro principal a fin de determinar la temperatura del aire que rodea la varilla. El bulbo del termmetro auxiliar debe a mas o menos un cuarto de longitud de la parte expuesta contada desde abajo, la ecuacin de correccin es

S = CD (t1 t2)

Donde S = correccin por varilla emergente (C)

C = 0.00016 para un termmetro de mercurio en vidrio

D = longitud de la columna de mercurio emergente, es decir, lectura del

termmetro menos lectura en el punto de inmersin (en C)

t1 = temperatura observada C

t2 = temperatura indicada por el termmetro auxiliar C

Esta ecuacin de correccin es emprica y no toma en cuenta, adems el efecto de una posible corriente de aire.

Para trabajos de precisin, cuando la variacin de temperatura esperada es pequea se utiliza el termmetro diferencial de Beckman (ver figura 3.4) . dado que el bulbo es muy grande, una variacin del nivel en el capilar. El alcance total del capilar puede reducirse hasta el orden de los 5C menos. Este tipo de termmetro puede usarse para diferentes rangos de temperatura modificando la cantidad de mercurio almacenada en la parte superior del termmetro.

TERMOCUPLAS

Cuando dos alambres se sueldan por sus dos extremos, aparece entre ellos una F.e.m. si los dos extremos estn a diferentes temperaturas. La magnitud de la f.e.m. es una funcin de los metales utilizados y de la diferencia de temperatura entre la soldadura caliente y la soldadura fra. Para cada par de metales, la medicin de la f.e.m. provee un medio para la determinacin de la diferencia de temperatura entre las dos soldaduras. Con alambres de longitud fija, y, por lo tanto, con uno resistencia dada del circuito, la medicin de la corriente es una indicacin igualmente adecuada de la diferencia de temperatura entre la soldadura caliente y la fra.

Alambre (A)

Instrumento

Juntura fra o de referencia

Juntura

caliente

Alambre (B)

Fig. 1

En la figura 1, el instrumento acta como conductos entre los dos alambre A y B para formar una juntura. Cuando los alambres no forman ellos mismos una juntura fra, es comn hablar de una juntura de referencia.

Dado que los alambres aptos para formar termocuplas son caros, es comn insertar alambres de cobre entre la juntura caliente y la de referencia, en particular cuando la distancia entre ellas es grande. El uso de un tercer metal en el circuito no afecta la precisin de la determinacin de la temperatura; siempre que haya sido igual la temperatura en todas las uniones del tercer metal con los metales de la termocupla.

Hay dos mtodos comunes para la determinacin de la f.e.m. producida por la diferencia de temperatura. Uno de ellos es el mtodo del galvanmetro y el otro, el mtodo del potencimetro.

El mtodo del galvanmetro se basa en el hecho de que la lectura de un galvanmetro es proporcional a la corriente que circula por el. Este tipo de instrumento se usa mucho en la industria.

En los trabajos de laboratorio, se prefiere el mtodo del potencimetro el cual proporciona una mayor precisin de lectura.III) MATERIALES: 2 termometos de inmersion total marca BOECO con escala de [-10,300] grados centigrados.

1 termometro de inmersion parcial marca PROPPER TROPHY con escala de [-10,150] grados centigrados.

1 termometro bimetalico marca ROTOTHERM con escala de [-30,60] grados centigrados.

1 termocupla marca KEITHLEY del tipo K con su registrador marca COLE PARMER de 230v

1 tanque de prueba marca AMINCO.

IV) PROCEDIMIENTO:

Para nuestro laboratorio se ha utilizado como escala patron la termocupla , debido a su mayor grado de precision. antes de empezar el ensayo calibramos la termocupla a una temperatura ambiente del medio de trabajo que para el caso es aproximadamente 22 c.

Luego de verificar que la termocupla registre una temperatura constante sin variaciones , procedemos a colocar los demas termmetros en la posicin determinada para que estos pueden efectuar la medicion de la temperatura, conjuntamente con ellos colocamos la aguja de la termocupla ligeramente sumergida en la superficie del aceite.

El termmetro de inmersion total debe ser corregido en su medida con otro termmetro de inmersion total pero que unicamente registra la temperatura de los alrededores cercanos a la superficie del aceite.

En este termmetro de inmersion total es necesario verificar que el nivel de aceite supere ligeramente la marca inicial del mercurio dentro del termmetro que en nuestro caso fue de 40 c.

El termmetro de inmersion total se sumerge unicamente hasta donde lo indica la marca

Asimismo el termmetro bimetalico es colocado con el extremo de este ligeramente sumergido en la superficie del aceite.

Para comenzar a calentar el aceite encendemos encendemos la maquina y regulamos el reostato en la posicin high para lograr un calentamiento rapido del aceite desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 40 c , conjuntamente con ello se enciende el motor electrico cuya funcion es remover el aceite por medio de paletas sumergidas para conseguir una uniformidad en la temperatura dentro de toda la sustancia.

Una vez alcanzada la temperatura de 40c , cambiamos la posicin del reostato a mdium con lo cual lograremos un incremento lento y gradual de la temperatura en el aceite hasta llegar a los 50c en donde comienzan las mediciones con intervalos primero de 10c hasta los 80c y luego intervalos de 5c hasta los 105c. las mediciones simultaneas se realizan siempre teniendo en cuenta el valor arrojado por el termmetro patron (termocupla).

V) CALCULOS Y RESULTADOS:

Resultados de las mediciones experimentales sin el factor de correcionTodos los resultados en grados centigradosT. patron

(termocupla)T .inmersion parcialT.inmersion total

(sumergido)T.inmersion total

( alrededores)T.bimetalico

5050.3504047

6060.860.145.757

7070.570.264.5---

8080.280.077.5---

8584.985.283.0---

9089.790.388.0---

9595.396.094.0---

10099.7100.798.5---

105104.7105.5103.5---

Calculo del factor de coreccion para el termmetro de inmersion total.

Treal = Tmedido + C

C = 0.0016( T T ).L

T = temperatura medida

T = temperatura de los alrededores de la sustancia

L = longitud no sumergida a partir de los 40c , expresada en grados centigrados.

T (c)T (c) L (c)C

5040100.160

60.145.720.10.460

70.264.530.20.280

80.077.5400.160

85.283.045.20.159

90.388.050.30.185

96.094.056.00.179

100.798.560.70.213

105.5103.565.50.209

Finalmente las temperaturas corregidas son:Todas las medidas en grados centigradosT. patron

(termocupla)T .inmersion parcialT.inmersion total

+ correccionT.bimetalico

5050.350.16047

6060.860.56057

7070.570.480---

8080.280.160---

8584.985.359---

9089.790.485---

9595.396.179---

10099.7100.913---

105104.7105.709---

Curva de temperaturas comparativasHacemos ajuste de curva para las mediciones con termmetro de inmersion total y parcial, quien obtenga una ecuacin lineal con pendiente mas cercana a la unidad, sera la correpondiente al termmetro con mayor precision:Observamos que la curva correspondiente a las mediciones del termmetro de inmersin parcial poseen un comportamiento mas estable respecto a la curva del termmetro de inmersion total.

VI) OBSERVACIONES:-El giro del motor conjuntamente a la elevacin de la temperatura del aceite, causo una variacin en el nivel inicial de aceite que se tomo de referencia para el uso de los termmetros de inmersion total y parcial.

-Debido a la limitacion en la escala del termmetro bimetalico (-30,60) grados centigrados, solo pudieron ser efectuadas con este 2 mediciones de temperatura entre 40 y 60 grados centigrados.

-Debe tenerse en cuenta que la falta de precision en la toma de mediciones es debida en gran parte el error humano en la toma de datos lo cual afecta en cierta medida el resultado final de las observaciones experimentales.

-En el registrador de temperaturas de la termocupla fue necesario invertir la polaridad de las conexiones debido a la incongruencia presentada durante las mediciones tales como valores decrecientes cuando la temperatura aumentaba.

-Motivados por las limitaciones de tiempo, nuestro intervalo inicial de 10 grados centigrados fue modificado a 5 grados a partir de la temperatura de 80 grados centigrados.

VII) RECOMENDACIONES:

-Para la experiencia se recomienda realizar mediciones con intervalos alrededor de los 5 grados centigrados para obtener mas valores experimentales , mejorar la aproximacin y el ajuste de las curvas y ahorrar tiempo.

-Preferentemente comenzar la medicion a partir de los 30c para aprovechar los valores de temperatura que arroja el termmetro bimetalico.

.-Mejorar el sistema de ventilacin del area de trabajo donde se realiza la experiencia, debido a la toxicidad de los vapores emanados por el calentamiento del aceite.

VIII) CONCLUSIONES:-En base a la grafica podemos concluir que el termmetro de inmersion parcial posee un menor margen de diferencia respecto a los valores del termmetro patron debido al comportamiento mas estable de los puntos pertenecientes a su curva de calibracin-Observando la variacin de temperatura del termmetro de los alrededores de la superficie caliente del aceite, se puede destacar que en los primeros puntos medidos existe un incremento brusco de la temperatura lo cual se debe a que inicialmente alrededor del termmetro unicamente es el aire atmosferico quien lo rodea y a medida que elevamos la temperatura se va formando el vapor de aceite el cual emana de la superficie de este formando gradualmente una mezcla gaseosa con el aire saturandolo y aumentando considerablemente su temeperatura. En los ultimos estadios de la medicion esta variacin brusca cesa para convertirse en un cambio progresivo y ordenado de valores de temperatura dando esto cuenta de que se ha alcanzado un equilibrio termico entre el vapor del aceite y el aire circundante.-Considerando que en su construccion los termmetros de inmersion total y parcial son del mismo tipo ( termmetros de bulbo), concluimos de acuerdo a nuestra grafica que el que alcanza una mayor precision respecto a las mediciones comparativas con el patron (termocupla) es el termmetro de inmersin parcial lo cual puede ser explicado basandose en el hecho de que este termmetro no necesita factores matematicos de correccion empiricos ya que su diseo considera los cambios de temperatura en la zona no sumergida en la sustancia a estudiar.

-Debido a la amplitud del rango de medicion que tienen los termmetros ( -10,300) grados centigrados, para obtener valores mas precisos es necesario trabajar las mediciones dentro de un rango de confiabilidad es decir dentro de valores que no esten muy ubicados en los extremos de las escalas es por ello que se evita tomar como punto de partida la temperatura ambiental ya que puede generar aun mas incertidumbre en los resultados.IX) ANEXO:

Termmetros de gas

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- y un manmetro medidor de la presin. Se pone la ampolla del gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de mercurio (manmetro) que est en conexin con la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la presin del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.

En un termmetro de gas de volumen constante el volumen del hidrgeno que hay en una ampolla metlica se mantiene constante levantando o bajando un depsito. La altura del mercurio del barmetro se ajusta entonces hasta que toca justo el indicador superior: la diferencia de los niveles (h) indica entonces la presin del gas y, a su travs, su temperatura.En un termmetro de gas de volumen constante el volumen del hidrgeno que hay en una ampolla metlica se mantiene constante levantando o bajando un depsito. La altura del mercurio del barmetro se ajusta entonces hasta que toca justo el indicador superior: la diferencia de los niveles (h) indica entonces la presin del gas y, a su travs, su temperatura.Termmetros de resistencia de platino

El termmetro de resistencia de platino depende de la variacin de la resistencia a la temperatura de una espiral de alambre de platino. Es el termmetro ms preciso dentro de la gama de -259 C a 631 C, y se puede emplear para medir temperaturas hasta de 1127 C. Pero reacciona despacio a los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad trmica y baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir temperaturas fijas.

Par trmico

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. 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.

Varias sondas termomtricas para ser utilizadas con un termmetro digital de termopares de laboratorio

Pirmetros

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.

PIRMETROS DE RADIACIN

Los pirmetros de radiacin para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiacin que le llega puede ser una lente o un espejo cncavo; el instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoelctrico en aire o en bulbo de vaco o una pila termoelctrica de unin mltiple en aire. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltmetro o con un potencimetro, con carcter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador.

El espejo cncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones:

1) la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberracin cromtica, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda.

2) las lentes de vidrio o de slice vtrea absorben completamente una parte considerable de la radiacin de largas longitudes de onda. La radiacin reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en l incide.

En la FIGURA siguiente se presenta esquemticamente los rangos pticos de un pirmetro de radiacin moderno del tipo de espejo. La radiacin entra, desde una fuente, a travs de una ventana A de slice vtrea, es reflejada por el espejo esfrico B y llevada a un foco sobre el diafragma J, .

La radiacin que pasa a travs de C es reflejada por el espejo esfrico D hacia el receptor E, donde se forma una imagen de C. La superficie de J se blanquea ligeramente con xido de magnesio para que refleje difusamente suficiente luz que haga visible la imagen de la fuente cuando se mira a travs de una lente H colocada detrs de B. El instrumento es orientado por el observador de manera que la imagen de la porcin de la fuente que ha de ser mirada, cubra la abertura C. Dado que B no produce ninguna aberracin cromtica y muy poca aberracin esfrica, la imagen de la fuente, colocada a la distancia para la cual est enfocado el espejo, es muy neta y puede hacerse que una porcin muy definida de la imagen cubra C.

La relacin de la distancia de la fuente al dimetro requerido por la fuente (factor distancia) es aproximadamente de 24 a 1 para distancias mayores de 24 pulgadas. En 24 pulgadas, el dimetro de la fuente debe ser por lo menos de 1 pulgada; en 48 pulgadas, de 2 pulgadas, etc.

Para distancias ms cortas de la fuente, el factor distancia es ms largo.

Para distancias mayores de 20 pulgadas, el instrumento puede emplearse como de "foco universal" si est debidamente enfocado y graduado para una distancia de 24 pulgadas.

Un obturador F ajustable delante de la ventana A sirve para regular el tamao de la abertura que deja osar la radiacin de manera que la fuerza electromotriz utilizada de la pila termoelctrica se ajuste estrechamente a una temperatura de la tabla de temperaturas y f.e.m.

Diafragmas de entrada fijos proporcionan el ajuste del intervalo del pirmetro en anchos lmites. El extremo superior del intervalo puede ser de 1000 a 1800 C, e incluso superior a 1800 C, si se necesita, para un mximo de f.e.m. de 20 milivoltios.

La escala no es lineal y sigue aproximadamente la ley de la cuarta potencia en la relacin entre la temperatura y la f.e.m.

Dado que el extremo inferior de la escala est comprimido, una f.e.m. menor de 1 milivoltio en una amplitud de 20 milivoltios no es til en la medida de temperaturas. La escala que termina en 1000 C comienza en 450 C y la que termina en 1800 C comienza en 825 C.

En la mitad superior de la amplitud se decubren fcilmente cambios de temperatura de la fuente del orden de 0.1 % del valor medido.

El tiempo requerido para conseguir el equilibrio despus de un cambio grande y rpido de temperatura de la fuente depende de la capacidad calorfica del receptor y de la rapidez con la que disipa el calor. Este tiempo de respuesta en el instrumento que hemos descrito es de 1 a 10 segundos, segn el tamao del receptor.

USOS

El pirmetro de radiacin se puede recomendar en lugar del termoelctrico en los casos siguientes:

1. donde un par termoelctrico sera envenenado por la atmsfera de horno

2. para la medida de temperaturas de superficies

3. para medir temperaturas de objetos que se muevan

4. para medir temperaturas superiores a la amplitud de los pares termoelctricos formados por metales comunes

5. donde las condiciones mecnicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoelctrico caliente

6. cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.

Este pirmetro reemplaza al pirmetro ptico cuando se desea registrar y vigilar las temperaturas superiores a 1600 C. Esta sustitucin requiere que la fuente sea lo suficientemente grande para llenar el campo del pirmetro de radiacin.

Termmetro de Beckmann

El termmetro diferencial de Beckmann tiene una escala de 30 cm de largo, aproximadariiente, con una escala total de 5 6 6 grados C. en divisiones. de 0.01 de grado. Est construido de suerte que una parte del mercurio del bulbo puede ser trasladada a un depsito de manera que lleve el extremo de la columna de mercurio a la seccin graduada para las zonas de temperaturas en que se han de medir las diferencias. Se emplea slo para medir diferencias cle temperatura. La exactitud conseguida est entre 0.002 y 0.005 grados en la medida de cualquier intervalo dentro de los lmites de la escala.

Termmetro de cinta bimetlica

Este termmetro consiste en una cinta hecha de dos metales de coeficientes de dilatacin trmica muy diferente, tales como el Invar y el latn, soldados cara con cara en toda su longitud. La cinta puede ser casi recta o puede formar una espiral para conseguir mayor sensibilidad. Una elevacin de temperatura cambia la curvatura de la cinta, puesto que el latn aumenta ms rpidamente en longitud que 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. Las cintas bimetlicas se emplean para obrar sobre contactos elctricos que controlan la temperatura de habitaciones, baios de aire y hemos. Dentro del intervalo.

La respuesta a los cambios de temperatura es casi lineal. Dentro del intervalo de temperaturas aceptado (no superior a 1500 C. cuando se emplea el latn, considerablemente superior cuando se emplea en lugar del latn una aleacin de cromo y nquel), los errores inherentes a la cinta son insignificantes. Pueden ocasionarse errores apreciables en el enlace mecnico. Hay una frna , la cual la cinta bimetlica es una espiral dentro de un tubo delgado de metal, y la aguja indicadora se mueve sobre una escala circular graduada, coaxial con el tubo. Puede reemplazar al termmetro de mercurio para numerosos usos.

PIROMETRO DE RADIACION+Un ejemplo interesante de la termometra basada en la radiacin del cuerpo negro fue descubierto por A. Penzias y R.W. Winson en 1965. Utilizando un radiotelescopio y operando en el intervalo de longitudes de ondas centimtricas detectaron una radiacin de fondo que parece inundar uniformemente el Universo y cuyas caractersticas espectrales coinciden con las correspondientes a un cuerpo negro a la temperatura de unos 3 K (radiacin 3 K del universo). Por este motivo Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Fsica de 1978.

Diagrama esquemtico de un pirmetro de radiacin total (Fery)

Diagrama de un pirmetro de radiacin visible

PIRMETROS PTICOS

El pirmetro ptico empleado en la determinacin de altas temperaturas tales como las temperaturas de fusin del platino, del molibdeno o del tungsteno, es del tipo de filamento cuya imagen desaparece.

Un telescopio es enfocado sobre el objeto incandescente cuya temperatura se va a medir. El filamento de tungsteno de una lmpara de alto vacio est situado en el plano focal del objetivo del telescopio. El ocular es enfocado sobre este plano, e incluye un filtro de vidrio rojo que slo transmite una estrecha banda de longitudes de onda visible centrada en O.65 micras. El filamento de tungsteno es calentado por la corriente de una batera, corriente regulada por un restato y medida, preferiblemente, por un mtodo potenciomtrico. Para hacer una medicin, las imgenes superpuestas de la fuente y del filamento son confrontadas en brillo ajustando la corriente del filamento. Cuando el brillo es igual, el filamento desaparece contra el fondo de la imagen de la fuente. El filamento aparece como linea oscura o brillante, segn que sea menos brillante o ms brillante que la imagen de la fuente.El ojo es muy sensible a la diferencia en brillo, y dado que la brillantez de un objeto aumenta proporcionalmente al mltiplo 1O-2O de su temperatura absoluta, un error de 1% en la confrontacin del brillo supone solamente un error de O.O5 a O.1% en la temperatura.

Cuando se ha conseguido la desaparicin del filamento, se lee la corriente, o bien, si la escala de corrientes est graduada en temperaturas, se lee esta directamente.

La figura siguiente representa un pirmetro ptico moderno muy usado en el laboratorio y en trabajo industrial. Este instrumento est graduado por la observacin de la corriente requerida para conseguir la desaparicin cuando la fuente es un cuerpo negro mantenido en varias temperaturas conocidas.

Pirmetro pticoUna de esta puede ser la temperatura de fusin del oro, 1063 C, y otra la de la plata, 960.8 C. Otras temperaturas del horno de cuerpo negro pueden determinarse por medio de un par termoelctrico patrn de platino con platino - 1% de rodio. La escala de la corriente frente a la de temperaturas se obtiene por interpolacin entre esas temperaturas medidas. El extremo inferior prctico de la escala de temperaturas del pirmetro ptico es aproximadamente 750 C; a temperaturas inferiores el brillo de la imagen es excesivamente dbil para hacer posible la confrontacin exacta. El extremo superior de la escala del instrumento ta como se ha descrito es aproximadamente 1250 C. A temperaturas ms elevadas, el ojo es deslumbrado por el brillo.

En la medicin de altas temperaturas es necesario cubrir con una pantalla la radiacin de la fuente de modo que se reduzca el brillo lo bastante para que pueda ser confrontado en la amplitud de escala del filamento. Una pantalla que transmite una fraccin conocida de la radiacin es un disco giratorio con sectores colocado entre la lente del objetivo y el filamento. Con la ley de distribucin de la radiacin trmica de Wien puede demostrarse la siguiente relacin

l ln t / C2 = 1 / T2 - 1 / T1 = A

donde l es la longitud de onda efectiva media transmitida por el filtro rojo, t es la fraccin de la luz transmitida porla pantalla, c2 es una constante conocida (14380 micro grados), T1 es la temperatura absoluta observada a travs de la pantalla tal como se mide en la escala del pirmetro y T2 es la temperatura real de la fuente. Para una pantalla dada y un filtro de vidrio rojo, A es una constante, la cual se expresa ordinariamente en "mireds" (microgrados recprocos negativos) y es computable mediante los valores conocidos de l, t y c2. En la determinacin de una temperatura T2 superior a 1063 C, se emplea una pantalla que reduce el brillo suficientemente para hacer que T1 caiga en la escala por debajo de 1063 C. Despus, midiendo T1, se puede calcular T2. Por este mtodo se han determinado temperaturas en la Escala Internacional de Temperaturas (escala termodinmica) para temperatura de solidificacin hasta la del tungsteno, 3380 C. Para las temperaturas superiores a unos 1800 C la discrepancia entre las leyes de Wien y de Planck se hace significante, y la ltima se emplea en la computacin de temperaturas de solidificacin.

Fuera del laboratorio de patrones, el disco con sectores no es prctico y se le reemplaza con una pantalla absorbente de vidrio. El valor A de la pantalla es determinado midiendo a travs de ella la temperatura aparente T1 de una fuente de cuerpo negro a la temperatura conocida T1, tal como, por ejemplo, la temperatura de solidificacin del platino.

Supongamos que la lectura en la escala de temperaturas del pirmetro, cuando la fuente es la solidificacin del platino es un horno de cuerpo negro, se encuentra que es 1000 C o 1273 K. Se sabe que la temperatura de solidificacin del platino es 1760 C o 2033 K. Entonces

A = 1/2033 - 1/ 1273 = 0.000294 o 294 mireds (microgrados recprocos negativos)

Si el vidrio de la pantalla tiene las debidas caractersticas de transmisin, A es constante para todos los valores de T2, y para cada temperatura en la escala menor puede calcularse la temperatura correspondiente de una fuente, observada a travs de la pantalla. De esta forma puede ponerse una escala mayor paralela a la escala menor para emplearla cuando se miden temperaturas superiores a las comprendidas en la escala anterior. Los lmites de error son tales, que pueden hacerse fcilmente medidas vlidas dentro de una tolerancia de mas menos 4 C hasta 1225 C y de mas menos 8 C hasta 1750 C con un pirmetro ptico industrial propiamente mantenido y usado inteligentemente. Incluso los observadores inexperimentados hacen lecturas aceptables dentro del margen de 5 C. a temperaturas hasta 1750 C, y los observadores experimentados, en una habitacin oscura aciertan con menor error de un grado centgrado.

Otros pirmetros pticos de corriente variable usan la caida de voltaje en el filamento, o la resistencia de este filamento, como medida de la temperatura de desaparicin

PIRMETROS FOTOELCTRICOS

Junto a los pirmetros visuales clsicos, que trabajan en general con l = 0.65 mm, se construyen actualmente pirmetros fotoelctricos que funcionan en el infrarrojo prximo y cuya precisin es muy superior (0.01 K a 1000 K y 0.1 K a 3000K)

TERMOMETROS MAGNETICOS

A temperaturas prximas al cero absoluto la mayor parte de los mtodos mencionados (termmetros de resistencia, pares termoelctricos, pirmetros de radiacin...) resultan ineficaces. En su lugar se utilizan los termmetros magnticos, basados en la variacin con la temperatura de la susceptibilidad magntica , c, de las sales paramagnticas.

Estas sales siguen la ley de Curie c T = cte. Por lo tanto, para medir la temperatura T, es suficiente determinar la susceptibilidad de la sal paramagntica correspondiente, lo cual se realiza midiento la autoinduccin de un arrollamiento que rodea la muestra. El mtodo es particularmente til en los sistemas que utilizan sales paramagnticas como refrigerantes para obtencin de bajas temperaturas.

No obstante, esta ley deja de ser vlida por debajo de la temperatura de Curie. Por debajo de este punto se define una temperatura magntica T*, a partir de la propia ley de Curie (admitiendo que siguiera cumplindose). As, si la susceptibilidad es c a una temperatura T por encima del punto de Curie y c* por debajo del mismo a la temperatura magntica T*, se cumplir T* = (c/c*) T, temperatura que puede reducirse al valor kelvin correspondiente.

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50.34750.16

60.85760.56

70.57070.48

80.28080.16

84.98585.359

89.79090.485

95.39596.179

99.7100100.913

104.7105105.709

T.inmersion total

T.bimetalico

T.inmersion parcial

Termometro patron C

Termometros C

CURVA DE TEMPERATURAS

Hoja1

5050.350.1647

6060.860.5657

7070.570.48

8080.280.16

8584.985.359

9089.790.485

9595.396.179

10099.7100.913

105104.7105.709

Hoja1

000

000

000

000

000

000

000

000

000

T.inmersion total

T.bimetalico

T.inmersion parcial

Termometro patron C

Termometros C

CURVA DE TEMPERATURAS

Hoja2

Hoja3

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