Trabajo Práctico sobre Termómetros

1. Trabajo Práctico sobre Termómetros Trabajo Práctico Química 2003 U.T.N Facultad Regional La Plata Alumnos: GRANAVETTER – LAZO - SCHROEDER Comisión: 62

2. 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.

3. 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).

4. 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.

5. Termómetros e Industria Toda industria química requiere de una altadosis de tecnologías de la información. La utilización delas 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”.

6. 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.

7. 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 captanla 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.

8. 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. 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.

9. 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 extremosestán 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.

10. Este es el llamado “Efecto Peltier” y es debido a la difusión de electrones desde el conductorcon mayor densidad electrónica al de menor densidad. Otro, debido a los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores en el circuito. Estees 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 losextremos 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.

11. 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).

12. 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 .

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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

17. Fuentes • Bibliografía: • Análisis Instrumental, de Skoog. • Sitios Web: • http://www.coleparmer.com • http://www.fisicarecreativa.com • http://www.sapiens.itgo.com/medicion_de_temperatura/termocuplas.htm • http://www.edu.aytolacoruna.es/