TERMOPARES LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA DE MATERIALES PRACTICA # 2.

1. OBJETIVOS

o Familiarizarse con el uso y calibración de un termopar (termocupla). o Conocer los principios físicos en los que se basan diversos métodos para la

determinación de la temperatura de un cuerpo.

o Comprender los principios de la medición de temperatura con termopares. 2. INTRODUCCIÓN

Un termopar es un dispositivo para la medición de temperatura, basado en efectos termoeléctricos. Es un circuito formado por dos conductores de metales diferentes o aleaciones de metales diferentes, unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe una diferencia de temperatura, que origina una fuerza electromotriz. El principio de funcionamiento de los sensores termoeléctricos se basa en los descubrimientos de Thomas Johann Seebeck (1822), Jean C.A. Peltier (1834) y William Thompson (1847), denominados efecto Seebeck, efecto Peltier y efecto Thompson. Efecto seebeck Cuando las uniones de dos conductores se unen por sus extremos para formar un circuito, y se colocan en un gradiente de temperatura, se manifiesta un flujo de calor y un flujo de electrones conocido como corriente Seebeck. La fuerza electromotriz (FEM) que genera la corriente se conoce como fuerza electromotriz de termopar o tensión Seebeck. El coeficiente Seebeck se define como dicha tensión derivada con respecto a la temperatura.

Figura 1. Termocupla

El efecto Seebeck es la suma de dos efectos independientes a saber:

o El potencial de contacto debido a la unión Metal-Metal. o El doble voltaje de Thompson debido a que cada uno de los dos metales tiene una diferencia

de temperatura entre sus extremos.

Efecto Peltier

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos materiales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Este efecto es reversible e independiente del contacto. Depende solo de la composición y de la temperatura de la unión. Efecto Thompson Consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello, cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas, y se libera calor si fluye en la misma dirección. La FEM de Seebeck es de principal importancia, ya que depende de la temperatura de la junta, puede usarse la termocupla montada según el circuito de la figura 2; en trabajos de precisión se prefiere el montaje de la figura 3. Generalmente la temperatura de referencia es un baño de Hielo-Agua (0ºC).

Figura 2. Representación esquemática de un sistema de termopar.(montaje para eliminar el efecto

de las variaciones de la temperatura ambiente. Para usar una termocupla como termómetro se conecta a un milivoltímetro, como se indica en la figura 2, donde se ha supuesto que el metal de la conexión del milivoltímetro es cobre. Las termocuplas parásitas M1-Cu y M2 – Cu se encuentran a temperatura ambiente y cada una de ellas está produciendo su propio potencial de contacto parásito. Si la Temperatura ambiente cambia, como suele hacerlo, cada Termocupla parásita cambiará su potencial de contacto de manera distinta, produciéndose una diferencia de potencial parásita que variará al cambiar la Temperatura ambiente.

c Figura 3. Termocupla modificada M1 – M2.

Los termopares se pueden calibrar usando sistemas de temperaturas conocidas, algunos de estos sistemas son los siguientes:

o Fusión del hielo: el hielo debe ser de agua destilada o desionizada. Punto de ebullición del agua.

o Punto de condensación del naftaleno. En trabajos que no requieren gran precisión se puede usar un termómetro calibrado y un baño de arena previamente calentada a unos 300ºC, el enfriamiento lento de la arena permitirá tomar datos de temperatura del termómetro y FEM de la termocupla. Lamoureux presenta una ecuación empírica para convertir milivoltios a grados centígrados, la ecuación tiene la forma: En donde T es la temperatura en grados centígrados y V es la fuerza electromotriz medida en la termocupla, en mili voltios. El valor de los coeficientes ao, a1, a2,…an se encuentran en la literatura de acuerdo al tipo o clase de termocupla con la cual se trabaje.

3. MATERIALES Y EQUIPOS

Tabla 1. Materiales y equipos para desarrollo de la práctica.

Equipos, materiales y reactivos

Baño de hielo. Termómetro de 300ºC. Milivoltímetro digital. Vaso Dewar. Baño de arena.

Termocuplas Vaso de 200 ml. Probeta de 50 ml. Sistema de calentamiento.

3

3

2

210 VaVaVaaT

Figura 4. Esquema del montaje

4. PROCEDIMIENTO

o Calibrar la termocupla usando como referencia la temperatura ambiente (figura 2). o Tomar datos de temperatura y voltaje cada que la temperatura descienda 10ºC iniciando en

200ºC. o Calibrar las termocuplas con un baño a 0ºC (figura 3). o Tomar datos de temperatura y voltaje cada que la temperatura descienda 10ºC iniciado en

200ºC. 5. Cálculos

o Realizar en ambos casos, la gráfica de potencial contra temperatura.

o Determinar de las gráficas anteriores la ecuación del termopar.

o Determinar la ecuación de sensibilidad del termopar. Definiendo la sensibilidad como dE/dT.

o Determinar la sensibilidad promedia del termopar en el rango de temperatura de trabajo.

o Calcular la variación mínima de temperatura que puede determinar con su sistema (medidor-termocupla).

o Calcule el límite inferior de detección de su sistema (medidor-termocupla).