EXPERIENCIA Nº : 1 TÍTULO : TERMOMETRÍA ASIGNATURA

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA
Departamento de Mecánica
EXPERIENCIA Nº : 1
TÍTULO
: TERMOMETRÍA
ASIGNATURA
: TERMODINÁMICA
1
OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA
1.1
OBJETIVO GENERAL
Conocer lo fundamentos de la termometría como actividad esencial de la
termodinámica y los diferentes instrumentos utilizados para medir y registrar la
temperatura.
1.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Comprender el principio de medición y de registro de diferentes
instrumentos utilizados para medir y registrar la temperatura.

Conocer operativamente el manejo, uso práctico y limitaciones de
diferentes tipos de termómetros.

Medir, registrar, comparar y evaluar temperaturas de sólidos, líquidos y
gases, tomadas con los diferentes tipos de termómetros.

Obtener la curva temperatura = f(tiempo) del gradiente de calentamiento de una
determinada masa de agua sometida al contacto de una fuente calórica.
2
INTRODUCCION TEÓRICA
En todos los procesos termodinámicos resulta fundamental del poder determinar el
valor de la temperatura de los cuerpos o sustancias de trabajo. La temperatura es una
medida del calor o energía térmica de un cuerpo o sustancia. La temperatura a nivel
molecular está relacionada con la energía media de las moléculas que componen una
sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad,
esto significa que hay un rango diferente de energía entre ellas. Por ejemplo, en un
gas las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades,
algunas se mueven rápido y otras más lentamente, al colisionar las que se mueven
más deprisa transfieren parte de su energía a las que se mueven más lento, como
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resultado se desaceleran las rápidas y se aceleren las lentas. Si agregamos energía al
sistema, la velocidad media de las moléculas se incrementa, produciendo energía
térmica o calor. Por tanto, temperaturas altas corresponden a sustancias que tienen
un movimiento medio molecular mayor. Como lo que medimos en su movimiento
medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo
tanto no depende de su tamaño. Por otro lado, se supone que a la temperatura del
cero absoluto cesa el movimiento atómico y molecular. El cero absoluto tiene lugar a
0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius ó -460 grados Farenheit. Todos los objetos en
la naturaleza tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto
emiten energía térmica o calor.
La medición de la temperatura se realiza aprovechando algunos de los siguientes
principios de los cuerpos y sustancias: la dilatación de líquidos, la diferencia de
potencial de cuerpos diferentes en contacto, la variación de la resistencia eléctrica
con el calor, la emisión de energía electromagnética de los cuerpos, la dilatación
diferencial de sólidos en contacto, la presión, etc.
2.1
TIPOS DE TERMÓMETROS
 El termómetro de vidrio, es un tubo capilar
de vidrio al vacío con mercurio, alcohol u
otro fluido líquido (ver Tabla 1). El fluido se
dilata más rápidamente que el vidrio,
ascendiendo por las paredes al aumentar la
temperatura. El termómetro de mercurio es el más usado, puede funcionar
desde los -39 °C (punto de congelación) a 357 °C (punto de ebullición),
permiten una lectura directa y no son muy precisos para fines científicos. El
termómetro de alcohol coloreado, menos preciso que el mercurio, registra
temperaturas desde -112 °C (punto de congelación del etanol) hasta 78 °C (su
punto de ebullición).
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Tabla 1. Líquidos usados en termómetros de vidrio
Líquido
Mercurio
Mercurio-talio
Galio
Pentanio
Etanol
Pentanol
Tolueno
Cresota
Petróleo
 En
el
termómetro
Temp. Inf.
-38,5
-58
0
-200
-110
-115
-90
-40
-45
de
Temp. Sup.
800
1150
1200
35
35
135
100
210
160
termopar
Humectante
no
no
no
si
si
si
si
si
si
o
termocupla, pila termoeléctrica, consta de
dos cables de metales diferentes unidos en
un extremo (ver Figura 01), que producen un
voltaje que varía con la temperatura de la
conexión. Este voltaje se usa como medida
indirecta de la temperatura. Se emplean
diferentes pares de metales para las
distintas gamas de temperatura, siendo muy
amplio el margen de conjunto: desde -200 °C
hasta 1500 °C (ver Tabla 02). Estos pueden ser de sonda o de penetración.
Figura 01, Tipos de montajes para termocuplas
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Tabla 2 Tipos de termocuplas usadas para medir la temperatura
Tipo
Denominación
Composición y
símbolo
Rango de
temperaturas (°C)
Diámetro del
alambre
F.e.m.en
(mV)
B
Platino-rodio 30%
vs. platino-rodio
6%
PtRh 30% PtRh 6%
0 ...1.500 (1.800)
0,35 y 0,5 mm
0...10,094 (13,585)
R
Platino-rodio 13%
vs. Platino
PtRh 13% - Pt
0...1.400 (1.700)
0,35 y 0,5 mm
0.16,035 (20,215)
S
Platino-rodio 10%
vs. Platino
PtRh 10% - Pt
0...1300(1.600)
0,35 y 0,5 mm
0...13,155 (15,576)
J
Hierro vs.
constatán
Fe - CuNi
K
Niquel-cromo vs.
níquel (Chromel
vs. Alumel )
NiCr - Ni
T
Cobre vs.
constatán
E
Niquel-cromo vs.
constatán
(Chromel vs.
constatán )
-200 ... 700 (900)
-200 ... 600 (800)
3 mm 1mm
-7.89 ... 39,130
(51,875)
-7.89 ... 33,096
(45,498)
0...1000(1.300)
3 ó 2 mm
0...41,269 (52,398)
0 ... 900 (1.200)
1,38 mm
0...37,325 (48,828)
Cu - CuNi
-200 ... 700 (900)
0,5 mm
-5,60 ... 14,86 (20,86)
NiCr - CuNi
-200 ... 600 (800)
3 mm
-9,83 ... 53,11 (68,78)
-8,83 ... 45,08 (61,02)
 Los termómetros infrarrojos hacen posible
la medición de la temperatura sin contacto
por medio de la radiación infrarroja de un
cuerpo. Algunos poseen un rayo de luz
piloto para su mejor orientación. Los
termómetros infrarrojos miden solamente
la temperatura superficial de superficies
visibles, por tanto no lo pueden hacer a
través de un cristal. Si mide superficies
metálicas brillantes, como por ejemplo
superficies de cilindros, solamente podrá utilizar los aparatos para
determinar tendencias de temperatura. No es posible realizar una medición
absoluta con los termómetros infrarrojos en superficies pulidas con brillo.
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 En
un
termómetro
de
termistor
un
semiconductor varía su resistencia eléctrica en
función de la temperatura. En un termistor NTC
(Negative
Temperature
Coefficient)
su
resistencia va decreciendo a medida que
aumenta
la
temperatura
(resistencias
de
coeficiente de temperatura negativo), están
constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo
coeficiente de temperatura es elevado; es decir, su conductividad crece muy
rápidamente con la temperatura, se fabrican de óxidos semiconductores
como el níquel, zinc, cobalto, étc., la relación entre la resistencia y la
temperatura no es lineal sino exponencial. En un termistor PTC (Positive
Temperature Coefficient) su resistencia variable va aumentado a medida que
aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran
variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura,
desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos
tales como motores eléctricos; también se utilizan en indicadores de nivel,
para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de
compensación. Estos termómetros pueden ser de sonda o de penetración.
 El termómetro bimetálico consiste en una cinta
hecha de dos metales de coeficientes de
dilatación térmica muy diferente, tales como el
invar (Fe-Ni 36%) y el latón, soldados cara con
cara en toda su longitud. La cinta puede ser casi
recta o puede formar una espiral para conseguir
mayor sensibilidad. Una elevación de temperatura
cambia la curvatura de la cinta, puesto que el
latón aumenta más rápidamente en longitud que
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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.
 Los termómetros digitales o de circuitos
integrados (IC) incorporan un microchip que
actúa en un circuito electrónico que es
sensible a los cambios de temperatura
ofreciendo lectura directa de la misma.
2.2
TRANSDUCTORES PARA EL REGISTRO DE TEMPERATURA
Un transductor de temperaturas, es un dispositivo que convierte una magnitud
física en una señal eléctrica la cual puede ser procesada para registrarla en el
tiempo. Es fácil realizar medidas de la temperatura con un sistema de
adquisición de datos, pero la realización de medidas de temperatura exactas y
repetibles no es fácil.
La temperatura es un parámetro termodinámico difícil de medir debido a su
simplicidad. Pareciera que se trata de un simple número, pero en realidad es
una estructura estadística cuya exactitud y repetitividad dependen de la masa
térmica, el tiempo de medida, el ruido eléctrico y los algoritmos de medida.
Los cuatro tipos más corrientes de transductores de temperatura que se usan
en los sistemas de adquisición de datos: detectores de temperatura de
resistencia (RTD), termistores, sensores de circuito integrado (IC) y termopares.
La elección de un transductor de temperatura adecuado y su correcta utilización
puede marcar la diferencia entre unos resultados equívocos y unas cifras fiables.
Los termopares son los sensores más utilizados.
Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que
son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran:
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3

Variación de resistencia en un conductor metálico (sondas de resistencia).

Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).

Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales distintos
(termopares).

Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de
radiación).

Otros fenómenos: velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia
de un cristal, etc.
INSTRUMENTOS Y EQUIPOS EXPERIMENTALES
Para la realización de la experiencia se requiere de lo siguiente:









4
Termómetro de mercurio
Termómetro de termocupla
Termómetro infrarrojo
Termómetro bimetálico
Termómetro digital
Material sólido
Sustancia líquida
Dispositivo calefactor
Cronómetro
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4.1
RECONOCIMIENTOS DE INSTRUMENTOS DE MEDICION
Para el reconocimiento de cada uno de los termómetros, se examinara cada uno de
ellos
identificando marca, modelo, tipo, características constructivas, rango de
operación y grado de precisión de la medición.
4.2
MEDICIÓN DE TEMPERATURA DE DIFERENTES SUSTANCIAS
Para la medición de la temperatura de sólidos, líquidos y gases se efectuará el
siguiente procedimiento:
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a) Definir una sustancia sólida y otra líquida a las cuales se le medirá su temperatura.
b) Registrar tres medidas de la temperatura del cuerpo sólido seleccionado con los
termómetros de mayor precisión que se puedan utilizar en este caso. Anote los
valores obtenidos.
c) Registrar tres medidas de la temperatura de la sustancia líquida seleccionada con
los termómetros de mayor precisión que se puedan utilizar en este caso. Anote los
valores obtenidos.
d) Registrar tres medidas de la temperatura del aire ambiental del laboratorio con los
termómetros de mayor precisión que se puedan utilizar en este caso. Anote los
valores obtenidos.
4.3
DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE CALENTAMIENTO DE AGUA
El objetivo de esta prueba es determinar gráficamente la curva de calentamiento de
una determinada masa de agua a presión atmosférica. Para ello se realiza el siguiente
procedimiento:
- Identificar las características del equipo calentador de agua (capacidad y potencia
eléctrica consumida).
- Vaciar 800 cc de agua fría en el calentador eléctrico.
- Ubicar en el calentador, el instrumento de medición de temperatura con mayor
precisión y que permita el adecuado registro continuo de la temperatura del agua
en el calentador.
- Registrar la temperatura del agua antes de iniciar su calentamiento (To)
- Verificar que el cronómetro para la prueba se encuentre preparado en 00:00:00
- Encender el calentador a la vez que se activa el cronómetro.
- Cada 30 segundos se identifica la temperatura indicada por el instrumento de
medición y se anota el valor leído.
- Observar los cambios que ocurren en el agua al interior del calentador, en la
medida que pasa el tiempo y su temperatura aumenta.
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- Luego que el agua empieza un proceso de evaporación desarrollada y luego de que
la temperatura del agua no registre cambios significativos por espacio de 2
minutos, apagar el calentador.
Se debe tener precaución durante el desarrollo de esta prueba y evitar ubicarse cerca del
calentador, ya que durante la evaporación desarrollada del agua, pueden saltar gotas de agua
caliente fuera del calentador.
5
CONTENIDO DEL INFORME
El contenido del informe deberá abarcar el desarrollo mínimo de los siguientes
contenidos fundamentales:









6
Teoría fundamental del experimento
Objetivos de la experiencia
Esquema de instalación
Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados
Descripción del método seguido o procedimiento experimental
Presentación de datos recogidos en la experiencia y resultados (tabla y gráfico To
vs tiempo)
Determinar la temperatura de saturación del agua calentada y la presión
atmosférica del laboratorio donde se realizó la experiencia.
Discusión de los resultados
Conclusiones.
EVALUACIÓN
El informe que debe entregar el alumno será evaluado de acuerdo a la siguiente
ponderación:





Introducción, objetivos, marco teórico
Descripción de instalación y equipos
Descripción de la metodología utilizada
Presentación de datos y resultados
Discusión de resultados y conclusiones
1.0 pto.
1.0 pto.
1.0 pto.
1.0 pto.
2.0 pto.
A la suma de los puntos indicados, se agregará el punto base correspondiente.