INFORME DE LABORATORIO DE TERMODINAMICA CONSTRUCION DE UN SISTEMA O ELEMENTO PARA MEDIR LA TEMPERATURA AMBIENTE

PRESENTADO POR:

CASTAÑEDA CORTES LEONARD ALEJANDRO

EDWIN VICENTE ARIAS DIAZ

ARTHUR DIAZ CARO

FUNDACION UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORES

INGENERIA MECANICA

CUNDINAMARCA, TERMODINAMICA, GRUPO 222

BOGOTA 18 DE MARZO DE 2015

RESUMEN

Como parte de nuestro aprendizaje a lo largo de nuestra preparación universitaria nos vemos en la necesidad de ir familiarizándonos con la instrumentación requerida durante nuestra vida profesional; esto es saber su funcionamiento y la calibración adecuada de estos así como su correcta lectura, lo que hace imprescindible el desarrollo del presente curso que nos introduce a este campo práctico.

El presente informe abarca el estudio de los instrumentos de medición de temperatura como son las termocuplas, bimetálicos, así como la familiarización con los termómetros de inmersión total y los de inmersión parcial ,para esto tomamos referencia 2 puntos fijos conocidos como punto fijo o punto de hielo que es la temperatura del hielo , preparado con agua destilada cuando se funde a una presión de 760 mmHg así como el punto fijo superior, punto de vapor que es la temperatura del vapor del agua destilada que ebulle a una presión de 760 mmHg.

Sin embargo debido a que la lectura de la instrumentación es un tanto incierta debido a la precisión, antigüedad de los instrumentos y a la subjetividad en cuanto a las mediciones de los termómetros que eran un tanto diferentes para cada alumno, aun así se trató de tomar la mayor atención a las mediciones, así que procuramos que fueran los más exactos posibles para obtener resultados más fiables.

Considerando que el presente informe fue preparado con la rigurosidad requerida por el presente curso, así como la exigencia del profesor evaluador, esperando que cumpla con sus expectativas.

Con los agradecimientos finales a las personas que intervinieron en la elaboración del presente informe, pasamos a dar cuenta de las metas u objetivos que esperamos obtener de esta experiencia.

Palabras claves:

Los objetivos que persigue la correcta realización de esta práctica son:

Medir temperatura ambiente mediante un sistema o elemento como termómetros de bulbo y corregir la temperatura indicada cuando varía la profundidad de inmersión y al mismo tiempo utilizar el termómetro de cinta bimetálico, en nuestro caso es construido un termómetro casero.

Identificar las diferentes temperaturas ambiente, las cuales identificamos las más comunes calor, frio.

Diferenciar los cambios de temperatura que realizamos por medio del termómetro casero.

Aprender a tomar una correcta lectura de los termómetros evitando los errores debido al paralelaje.

Comprobar que la medición del termómetro que construimos no es muy preciso como los instrumentos que hay hoy en día que dan con exactitud las temperaturas ambientes, pero es posible identificar los cambios de temperatura en termómetros caseros.

ABSTRACT

As part of our learning throughout our college preparation we feel the need to go familiarizing with the instrumentation required for our professional lives; this is to know its functioning and proper calibration of these and their correct reading, which is essential to the development of this course that introduces us to the practical field.

This report covers the study of temperature measurement instruments such as thermocouples, bimetallic and familiarization with total immersion thermometers and partial immersion, for this we Reference 2 fixed points known as fixed-point or point of ice ice temperature is prepared with distilled water when under a pressure of 760 mmHg and the upper fixed point, point temperature steam is steam distilled water boiling at a pressure of 760 mmHg is melted.

However due to the reading of the instrumentation is somewhat uncertain due to the accuracy, antique instruments and subjectivity in terms of measurements thermometers were somewhat different for each student, still tried to take the greater attention to the measurements, and we strive to be the most accurate possible to obtain more reliable results.

Whereas this report was prepared with the rigor required by this course as well as the requirement of evaluating teacher, hoping to meet your expectations.

With the end to the persons involved in the preparation of this report thanks, spent to realize the goals or objectives we expect from this experience.

Keywords:

The objectives of the adequacy of this practice are:

• Measure room temperature using a system or element bulb thermometers and correct the indicated temperature when the immersion depth varies while using the tape bimetallic thermometer, in our case is built a home thermometer.

• Identify the different ambient temperatures, which identified the most common heat, cold.

• Differentiate temperature changes we make through the home thermometer.

• Learn to make a correct reading of the thermometer avoiding errors due to parallax.

• Check that the thermometer measurement we build is not very accurate as the instruments there today who give exactly ambient temperatures, but it is possible to identify temperature changes in household thermometers.

INTRUDUCCION

¿Qué es la Temperatura?

Se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía sensible de un sistema, se observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).

Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como la cuantificación de la actividad molecular de la materia.

El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

A continuación pasemos a estudiar a los instrumentos de medición:

TERMÓMETROS

TERMÓMETRO DE VIDRIO

Funciona por la dilatación de un líquido alojado en un bulbo, que se visualiza en un capilar cuyo pequeño diámetro permite apreciar grandes variaciones de la longitud del fluido dilatado para un determinado volumen.

La expresión del volumen total del fluido encerrado es:

V = Vo (1+ α Δt)

Errores:

1. Los que se generan por la dilatación del tubo de vidrio. 2. Los que se deben al tiempo de inmersión del bulbo. 3. Los que se deben a la falta de uniformidad de la superficie transversal del capilar.4. Los que se deben a la profundidad de inmersión, etc.

En aplicaciones industriales se protege los termómetros con una vaina o cubierta de metal, que puede ser acero (generalmente inoxidable) o bronce, latón, aluminio, níquel. El vidrio tiene una forma convexa que permite ampliar mediante efecto óptico el ancho del capilar lleno de fluido al efecto de visualizar más fácilmente la temperatura. El espacio entre el bulbo y la vaina se rellena de algún material altamente conductor térmico como un aceite de silicona, o fino polvo de cobre o bronce para obtener constantes de tiempo lo más pequeñas posibles, por ejemplo del orden del medio segundo. En los últimos años se han desarrollado encapsulados transparentes de teflón a fin de evitar contaminaciones en caso de rotura. Los termómetros se calibran para ser usados de diversos modos por ejemplo:

Inmersión Parcial: se sumerge el bulbo en el fluido cuya temperatura se quiere medir

Inmersión Total: se sumerge toda la columna de líquido de medición.

Inmersión completa: se sumerge todo el termómetro. Los termómetros de mercurio pueden tener electrodos que le permitan una o más salidas eléctricas puntuales, uno de los electrodos va en el bulbo y los otros a distintas temperaturas fijas. Los termómetros de máxima tienen una restricción a la salida del bulbo que impide el fácil retorno del mercurio a l mismo. Se debe agitar en forma violenta el termómetro para lograr este retorno. Aplicación clásica de lo antedicho es el termómetro clínico.

CLASES DE TERMOMETROS

TERMÓMETRO BIMETÁLICOS

Se basa en la diferencia de dilatación de los metales tales como: Aluminio Bronce, Cobre, Latón, Níquel, Níquel Cromo, Monel, Acero, Aleación Hierro – Níquel (36%) llamada Invar, Porcelana, Cuarzo. El aluminio tiene el mayor coeficiente de dilatación de los mencionados.

Se obtienen exactitudes del orden del 1% de la medición.

Las combinaciones más usuales son:

E

En general se colocan dentro del tubo dos espirales concéntricos de sentidos contrarios para eliminar efectos no deseados, y tener longitudes grandes para obtener elevadas sensibilidades.

VIDRIO Y DIAL

Los termómetros de vidrio usan la expansión térmica para medir la temperatura. Este método usa una ley física y es fiable. Se puede confiar en este método porque se puede ver cómo funciona. Los termómetros bimetálicos o de dial utilizan el mismo principio para su funcionamiento y generalmente son utilizados en tanques o los modelos de carátula de bolsillo para evitar riesgos con el vidrio por ejemplo en plantas procesadoras de alimentos.

Hoy en día existen un sinnúmero de variedades y tipos de termómetros de vidrio. Hay en fondo blanco, fondo amarillo, con mercurio, inmersión parcial, inmersión total, con perma color rojo y azul, para altas y bajas temperaturas, con especificaciones SAMA, especificaciones ASTM, de precisión, certificados rastreables a NIST, de bolsillo, para muestreo por lote etc.

Generalmente son más económicos que los termómetros electrónicos y también más precisos si son utilizados correctamente, lo que los hace ideales para escuelas o laboratorios dónde muchas personas toman medidas de temperatura.

Los más comunes son los tipos SAMA, los hay de inmersión parcial e inmersión total, por lo que es necesario saber la diferencia entre ambos y utilizarlos correctamente de acuerdo al tipo. Los termómetros de inmersión parcial están calibrados para ser utilizados, como lo indica su nombre, solo introduciendo el termómetro 3 pulgadas o 76mm, para ello cuentan con un anillo indicando hasta dónde deben de sumergirse. Los termómetros de inmersión total a diferencia de los parciales, deben de introducirse en el líquido hasta la temperatura marcada por el mismo, ya que están calibrados para funcionar de esta manera. Como la mayoría de los recipientes en un laboratorio no son muy profundos, casi siempre se utilizan los de inmersión parcial ya que son más prácticos y pueden ser utilizados con cualquier recipiente.

OTROS TIPOS:

Termómetros de Inmersión total: Termómetros sumergidos en un líquido donde el extremo superior de la columna liquida (del termómetro) está en el mismo plano de lasuperficie del medio cuya temperatura se va a medir o no más de dos divisiones arriba de la escala.

Inmersión Parcial: Termómetros diseñados para medir temperaturas cuando el bulbo y una porción especifica del capilar son sumergidos en el medio donde se requiere determinar la temperatura. La línea de inmersión nos indica la profundidad de inmersión de estos termómetros.

OTROS SISTEMAS DE MEDICION

TERMOCUPLAS

¿Qué son las Termocuplas?

Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente.Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Por ejemplo, una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán (aleación de cobre y nickel) Al colocar la unión de estos metales a 750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts.

Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina), en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio (cabezal).

Tipos de Termocuplas.

Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J ó del tipo K.

Usos típicos en la Industria

Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio). La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos. Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero) Finalmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los Pt100.

TC Cable + Aleación Cable - Aleación Rango °C

(min, max)

Volts Max

(mV)

J Hierro Cobre/Nickel (-180, 750) 42.2

K Nickel/Cromo Nickel/Aluminio (-180, 1372) 54.8

T Cobre Cobre/Nickel (-250, 400) 20.8

R 87% Platino 13%Rhodio

100% Platino (0, 1767) 21.09

S 90% Platino

10% Rhodio

100% Platino (0, 1767) 18.68

B 70% Platino 30% Rhodio

94% Platino 6% Rhodio

(0,1820) 13.814

Linealización

La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no es lineal (no es una recta), es deber del instrumento electrónico destinado a mostrar la lectura, efectuar la liberalización, es decir tomar el voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas internas a que temperatura corresponde este voltaje.

Compensación de Cero

El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de "compensación de cero". Esto se debe a que en algún punto, habrá que empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre.En ese punto se producirán dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de ambiente (Ta) en el punto del empalme.

Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes en un baño de hielo a cero grados para que generen cero voltaje (Ta = 0 y luego V(Ta) = 0 ). Actualmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura en ese punto (mediante un sensor de temperatura adicional) y la suman para crear la compensación y obtener así la temperatura real. El punto de empalme (llamado "unión o juntura de referencia") es siempre en el conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura. De modo que es necesario llegar con el cable de la termocupla hasta el mismo instrumento.

Cables Compensados

Cuando el instrumento está muy retirado del lugar de medición, no siempre es posible llegar con el mismo cable de la termocupla al instrumento. Esto ocurre especialmente cuando se están usando termocuplas R, S ó B hechas con aleación de platino de muy alto precio. La solución de este problema es usar los llamados "cables compensados" para hacer la extensión del cable. Estos exhiben el mismo coeficiente de Seebeck de la termocupla (pero hechos de otro material de menor precio) y por lo tanto no generan termocuplas parásitas en el empalme.

Los cabEs compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-) que al conectarse con la termocupla se debe respetar. Un error típico, es conectar al revés el cable en la termocupla y en el instrumento, de esta forma se genera un error en la lectura del orden de la temperatura de ambiente en el empalme. En el caso particular de las lanzas usadas en la fundición de aceros, la termocupla se conecta en la punta con un cable compensado

forrado en asbesto, que va por dentro de la lanza hasta el lado del mango. Ahí se empalma con otro cable compensado con revestimiento de goma más flexible que llega hasta la entrada del instrumento. Es importantísimo que estos dos cables compensados sean para el tipo de termoculpla que se está usando y además estén conectados con la polaridad correcta (+) con (+) y (-) con (-). De otra forma será imposible obtener una medición sin error. Siempre se debe consultar al proveedor ó fabricante del cable compensado por los colores que identifican los cables (+) y (-), pues las normas de estos colores varían con el tipo de termocupla y país de procedencia del cable.

Para verificar el funcionamiento de un instrumento

Para verificar que un instrumento de termocupla funciona correctamente, es conveniente hacer un corto ó puente en la entrada de modo que V = 0, entonces el instrumento deberá marcar la temperatura de ambiente Ta que hay en el conector trasero donde se hizo el puente.

Para identificar una termocupla J y una K

Una Tc tipo J está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán. El alambre de hierro se puede reconocer con un imán, además el hierro es gris opaco aunque algunas veces estos alambres se recubren con un delgada capa de cobre para evitar oxidación. El constantán (cobre-nickel) es también magnético pero muy levemente, se reconoce mejor porque es plateado brillante. Las termocuplas K están hechas con cromel (cromo - aluminio) y alumel (aluminio -nickel) ambos de color plateado brillante pero el alumel es levemente magnético por su contenido de nickel.

MATERIALES PARA ELABORACION DEL TERMOMETRO CASERO

Agua de grifo Alcohol desinfectante Colorante de alimentos (cualquier color) 4 tazas (1 litro) de una taza para medir o 600 mililitros de un vaso de

precipitados Un vaso o botella de plástico transparentes de 20 a 25 centímetros (8 a 10

pulgadas) de alto Un sorbete plástico transparente de, al menos, 20 centímetros (8 pulgadas)

de alto Un gotero de plástico Aceite vegetal de cocina Masilla, cera o plastilina Regla Plumón de punta fina Una ficha blanca Cinta adhesiva transparente Un tazón de agua fría Un tazón de agua caliente Un termómetro comercial (para la calibración)

PROCEDIMIENTO

1. Haz tu solución de medida. Llena una taza para medir con agua hasta la mitad y la otra mitad con alcohol desinfectante. Deja caer cuatro u ocho gotas de colorante para alimentos a la solución y mezcla suavemente para combinarlos.

Ten en cuenta que el colorante para alimentos no altera la manera en que la solución reacciona a los cambios de temperatura. Su único propósito es hacer más fácil para ti la lectura del nivel de agua en el sorbete cuando usas el termómetro.

Técnicamente podrías omitir el alcohol en su totalidad y solo usar agua, pero un termómetro que contiene partes iguales de agua y alcohol responderá a los cambios de temperatura con mayor rapidez que uno hecho solo de agua.

Al determinar cuánta solución hacer, considera el volumen de la botella que usarás. Tendrás que preparar suficiente solución para llenar la botella entera, además de un poco adicional.

2. Vierte la solución de medida en una botella transparente. Llena la botella hasta el cuello vertiendo directamente dentro la solución. Usa un gotero de plástico para añadir lentamente más de la solución de color hasta que el nivel de dicha solución alcance la parte superior de la botella.

Puedes usar un vaso o una botella de plástico. Evita que la solución se rebalse. Técnicamente, puedes crear un termómetro incluso sin llenar la botella

hasta el tope. La estructura de este termómetro asegurará que la solución se expanda en el sorbete en lugar de en la botella, incluso si la botella está parcialmente vacía. Sin embargo, llenar la botella hasta el tope causará que tu termómetro responda a los cambios de temperatura más rápido que si lo llenas solamente hasta la mitad.

3. Inserta el sorbete en la botella y fíjalo. Desliza el sorbete en la botella cuidadosamente para evitar que no se derrame ni un poco de la solución. Deja al menos 10 centímetros (4 pulgadas) de sorbete sobresaliendo de la parte superior de la botella y no permitas que toque la base de la botella. Fija el sorbete moldeando masilla alrededor de este y el tope de la botella.

La masilla debe sellar totalmente la boca de la botella. Idealmente, no debe entrar aire a la botella, a menos que llegue a través del sorbete.

La cera parcialmente derretida o la plastilina servirán si no tienes masilla. Sellar la botella es muy importante. Un sello hermético impide que el líquido

de la botella se expanda a través de la boca de la botella y, como resultado, se expanda solo en el sorbete.

4. Adjunta una ficha blanca a la parte superior del sorbete. Pon la ficha justo detrás del sorbete y usa un pedazo de cinta adhesiva transparente para fijarla.

La ficha no es estrictamente necesaria, pero usarla puede hacer más fácil para ti ver el nivel de la solución en el sorbete. Además, si planeas calibrar tu termómetro para que pueda usarse para medir temperaturas, tendrás que usar esta ficha para marcar y etiquetar los valores de medición.

5. Añade la solución de medida a la parte superior del sorbete. Cuando lo hayas hecho, debe haber 5 centímetros (2 pulgadas) de agua sobre el tope de la botella, dentro del sorbete.

Al llenar el sorbete con la solución adicional, harás que sea más fácil detectar el nivel de la solución en el sorbete, pues asciende y desciende.

CALCULOS Y RESULTADOS

Las diferentes tomas de muestras de temperaturas y los cambios de temperatura que se hicieron en varios tiempos y varias temperaturas, también con la ayuda de un termómetro de vidrio para tomar los datos de temperatura.

CONCLUCIONES

Con este trabajo podemos concluir la importancia te toma de temperatura con respecto a un termómetro casero.

No sabíamos que con materiales caseros se podría hacer un sistema que pudiera tomar muestras de temperatura en calor y frio que van reflejado a la temperatura generalizada.

Para tomar con exactitud la temperatura ya hay muchos sistemas y elementos que los toman con exactitud, aunque algunos toman con un rango mínimo de error.

Con este laboratorio podemos diferenciar los cambios de temperatura en rangos mínimos de tiempo, varia en instantes dependiendo de los materiales que se utilicen con la elaboración del sistema.

En un sistema cerrado podemos decir que: la transferencia de calor así un sistema el trabajo hecho por el sistema son positivos.

por lo tanto la transferencia de calor desde el sistema y el trabajo hecho sobre el sistema son negativos.

BIBLIOGRAFIA

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ResnikHallidayKrane (2002). “Física”. Volumen 1. Editorial Cecsa.

DeymourDoolittle, Jesse. “El Laboratorio del Ingeniero Mecánico”. Editorial Hispanoamericana.

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Wikipedia. Termografía.http://es.wikipedia.org/wiki/Termograf%C3%ADa

Termómetros Infrarrojos. Termómetros Laser.http://www.termometrosinfrarrojos.com/