“Año del Centenario de Machu Picchu”

FACULTAD DE INGENIERÍA MECANICA

ELECTRICAESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE

INGENIERÍA MECANICA ELECTRICA

TEMA : TEMPERATURA

CURSO : LABORATORIO DE ENERGIA

DOCENTE : ING. Tello

ALUMNO :

GARCIA SUAREZ LUIGGY

CICLO : V-ME-2-GRUPO-A

ICA – PERÚ2011

INTRODUCCIÓN

Temperatura es una medida de la energía cinética de los átomos o moléculas que constituyen

un objeto material cualquiera. Su medida se realiza a través de los cambios que experimentan

algunas magnitudes físicas, cuando los cuerpos son sometidos a intercambios de energía

térmica. Ejemplos de estas magnitudes son: el volumen, la presión, la resistencia eléctrica, y

muchas otras que han dado lugar a diferentes formas de medir la temperatura.

TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO

Temperatura

En términos muy generales y aproximados, se puede decir que la temperatura es una magnitud proporcional a la energía cinética promedio que tienen las partículas, átomos o moléculas, que constituyen un cuerpo. Si todas las partículas de un cuerpo tuviesen la misma energía de movimiento la temperatura sería proporcional a esa energía. Cuando un cuerpo caliente entra en contacto con un cuerpo frío, se produce un intercambio de energía del cuerpo más caliente al más frío, debido a que las partículas del cuerpo caliente tienen más energía en promedio que las partículas del cuerpo frío.

Equilibrio térmico

Con apoyo en el concepto de temperatura anteriormente descrito, se puede decir que dos cuerpos están en equilibrio térmico, cuando sus partículas no intercambian una cantidad neta de energía, siendo por consiguiente, iguales sus temperaturas. En este concepto se apoya la termodinámica para medir la temperatura de los cuerpos.

Termómetro.

¿Qué mide un termómetro?

Un termómetro mide la temperatura, alcanzando el equilibrio térmico con el cuerpo al que se le quiere medir la temperatura.

El primer termómetro se le denomino (Termoscopio de Galileo)

Por ser un aparato que solo detectaba los cambios de temperatura, pues no tenía una escala para medir con exactitud la temperatura, resultaba además inexacto por depender de la presión atmosférica, la cual experimenta variaciones de acuerdo a la hora del día, del clima del lugar y la altura sobre el nivel del mar. Se debe a Daniel Fahrenheit el invento de una forma de medir la temperatura en forma más confiable que el termoscopio de Galileo.

Tipos de termómetros :

Existen diferentes tipos de termómetros dependiendo de la propiedad o variable termométrica escogida.

Termómetro de Gas a volumen constante:

En este instrumento la variable que mide la temperatura es la presión de un gas que se mantiene a volumen constante. Se ha escogido este termómetro como patrón porque los valores de la temperatura que se obtienen con él son independientes del gas utilizado.

Pirómetro óptico:

la temperatura del objeto (un horno por ejemplo) se obtiene comparando el color de la llama con el del filamento de una lámpara eléctrica. La variable termométrica tiene que ver con la frecuencia de la luz, magnitud que determina el color de lo que vemos.

Termómetro Metálico:

En este caso se aprovecha la dilatación de dos varillas metálicas para medir la temperatura y la variable termométrica esta relacionada con el cambio de longitud de las dos varillas. El calentamiento hace que una espiral bimetálica se curve, moviendo la aguja que señala el valor de la temperatura.

Termómetro Clínico:

Debido al estrechamiento en la base del tubo capilar, la columna de Hg (Mercurio) no puede regresar al depósito. Por ello, este termómetro sigue indicando la temperatura de una persona, aunque ya no esté en contacto con ella. La variable utilizada para medir la temperatura es la longitud de la columna de mercurio.

Termómetro de Máxima y Mínima:

Este aparato indica, por medio de dos índices, las temperaturas máxima y mínima que se producen en cierto intervalo de tiempo.

Termómetro de Resistencia: En este termómetro se mide la temperatura de los cuerpos a través de los cambios que experimenta la resistencia de un material con la energía térmica.

Termómetro de par metálico: La variable para medir la temperatura es el voltaje generado en la unión de dos metales diferentes, el cual varía al cambiar la temperatura

El sistema tiene dos uniones metálicas: una es usada como sensor de la temperatura y la otra es mantenida a una temperatura de referencia. Este termómetro es muy exacto y se puede utilizar para muchas aplicaciones donde otros resultan limitados.

Escalas de Temperatura

Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas. Ya que los valores que puede adoptar la temperatura de los sistemas, aún que no tienen un máximo, sí tienen un nivel mínimo, el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.

Relativas

Unidades derivadas del SI

Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius utilizó (en 1742) los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm está en el punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición.

Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre los puntos de congelación y evaporación de disoluciones de cloruro amónico. Es una unidad típicamente usada en los países anglosajones.

Grado Réaumur (°Ré, °Re, °R). Usada para procesos industriales específicos, como el almíbar.

Grado Rømer o Roemer. En desuso. Grado Newton (°N). En desuso. Grado Leiden. Usada para calibrar indirectamente bajas temperaturas. En desuso. Grado Delisle (°D) En desuso.

Absolutas

Las escalas que asignan los valores de la temperatura en dos puntos diferentes se conocen como escalas a dos puntos. Sin embargo en el estudio de la termodinámica es necesario tener una escala de medición que no dependa de las propiedades de las sustancias. Las escalas de éste tipo se conocen como escalas absolutas o escalas de temperatura termodinámicas.

Sistema Internacional de Unidades (SI)

Kelvin (K) El Kelvin es la unidad de medida del SI, y siendo la escala Kelvin absoluta parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades de tal forma que el punto triple del agua este exactamente a 273,16 K.1

Aclaración: No se le antepone la palabra grado ni el símbolo º.

Sistema Anglosajón de Unidades:

Grado Rankine (°R o °Ra). Escala con intervalos de grado equivalentes a la escala fahrenheit. Con el origen en -459,67°F (aproximadament

Conversión de temperaturas

KelvinGrado Celsius

Grado Fahrenheit

Grado Rankine

Grado Réaumur

Grado Rømer

Grado Newton

Kelvin K = KK = C + 273,15

K = (F +

459,67) K = Ra

K = Re + 273,15

K = (Ro - 7,5)

+ 273,15K = N + 273,15

Grado Celsius

C = K − 273,15

C = CC = (F - 32)

C = (Ra - 491,67)

C = Re

C = (Ro - 7,5)

C = N

Grado Fahrenheit

F = K - 459,67

F = C + 32

F = FF = Ra − 459,67

F = Re + 32

F = (Ro - 7,5)

+ 32F = N + 32

Grado Rankine

Ra = K Ra = (C + 273,15)

Ra = F + 459,67

Ra = Ra

Ra = Re

+ 491,67

Ra = (Ro -

7,5) + 491,67

Ra = N + 491,67

Grado Réaumur

Re = (K − 273,15)

Re = C Re = (F -

32)

Re = (Ra - 491,67) Re = Re

Re = (Ro -

7,5) Re = N

Grado Rømer

Ro =(K - 273,15)

+7,5

Ro = C

+7,5

Ro = (F -

32) +7,5

Ro = Ra - 491,67

+7,5

Ro = Re

+7,5Ro = Ro Ro = N +7,5

Grado Newton

N = (K - 273,15)

N = C N = (F - 32) N = (Ra - 491,67)

N = Re N = (Ro - 7,5) N = N

Temperatura Absoluta

Es posible definir una escala de temperatura independiente de la sustancia que se utilice y que refleje con mayor cercanía el concepto de temperatura como medida de la energía de las partículas. Esta es la escala absoluta de temperatura, en la cual existe un cero absoluto por debajo del cual no existe ninguna temperatura y corresponde a un estado en el cual la energía de las partículas, átomos o moléculas, es mínima. Para medir en esta escala de temperaturas se utiliza un termómetro de gas a volumen constante, el cual utiliza como sustancia termométrica, un gas en un estado particular llamado gas ideal. En esta escala, se le asigna al estado en el cual coexisten: el agua líquida, el hielo y el vapor de agua, llamado punto triple del agua, una temperatura igual a 273,16. La razón de esto se debe a que este estado sólo ocurre a una temperatura y presión específica. A la unidad de temperatura de esta escala se le llama Kelvin y se denota con la letra K (no °K) y es la unidad de temperatura adoptada por el sistema internacional de medidas.

Termocuplas

Las termocuplas son los sensores de temperatura de uso industrial más generalizado. Una termocupla está hecha de dos alambres elaborados en distinto material que se unen en un extremo usualmente por medio de soldadura. La aplicación de temperatura en el lugar de unión de los metales genera un voltaje muy pequeño -conocido como efecto Seebeck- del orden de los milivolts, el cual aumenta con la temperatura.

Las termocuplas industriales se encuentran encapsuladas en el interior 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 dentro de una caja redonda de aluminio - cabezal-.

Aunque existen una gran cantidad de tipos de termocuplas, las de más frecuente uso son del tipo J o K. Las tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma y fundición de metales a baja temperatura. En tanto que la termocupla tipo K se usa en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300oC tal como fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos.

Por lo demás las tipo R,S y B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica específicamente en la fundición de acero. Y, las tipo T se usaron hasta hace poco tiempo en la industria de alimentos pero han sido desplazadas por los Pt100.

Tabla.

Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas.

Tipo DenominaciónComposición y símbolo

Rango de temperaturas (1) (en °C)

Diámetro del alambre apropiado (2)

F.e.m.en mV (3)

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 -200 ... 700 (900)

-200 ... 600 (800)

3 mm 1mm -7.89 ... 39,130 (51,875)

-7.89 ... 33,096 (45,498)

K Niquel-cromo vs. níquel (Chromel vs. Alumel )

NiCr - Ni 0...1000(1.300)

0 ... 900 (1.200)

3 ó 2 mm

1,38 mm

0...41,269 (52,398)

0...37,325 (48,828)

T Cobre vs. constatán Cu - CuNi -200 ... 700 (900)

0,5 mm -5,60 ... 14,86 (20,86)

E Niquel-cromo vs. constatán (Chromel vs. constatán )

NiCr - CuNi -200 ... 600 (800)

3 mm

 

-9,83 ... 53,11 (68,78)

-8,83 ... 45,08 (61,02)

(1) Los valores entre paréntesis son los admitidos en intervalos cortos (no permanentes)

(2) Los diámetros de alambres no son indicativos

(3) Valores de Fem. (mV) en función de º C, referencia junta fría 0º C.

Desarrollo teórico de la práctica

Comparación entre termómetros de mercurio y alcohol o espíritu de vino

Las dilataciones que presentan en su volumen el mercurio, el agua y el espíritu de vino, cuando la cantidad de calor que actúa sobre ellos varia desde la que posee el hielo fundente hasta la que corresponde al agua en ebullición, puede reconocerse por la tabla siguiente, construida después de numerosas experiencias.

El mercurio se dilata entre

El agua

El espíritu de vino

0° y 100° 0,018 de su volumen

0,045

0,100

Por esta tabla, y por los resultados de algunas observaciones, se puede tener una idea exacta de las ventajas é inconvenientes que presentan en la práctica los diferentes termómetros construidos con distintos líquidos.

Ventaja del termo de mercurio

El termómetro de mercurio debe preferirse, porque las dilataciones del mercurio se presentan muy regulares entre las temperaturas de 0° hasta 370° centígrados, calor con el cual el vidrio principia á reblandecerse, y el mismo mercurio pierde la regularidad en sus dilataciones sucesivas porque está próximo á entrar en ebullición.

Bajo temperaturas de 0° el mercurio se solidifica ó congela á —40°, presentándose el aparato defectuoso en este segundo supuesto. La regularidad observada en las dilataciones del mercurio entre las temperaturas tan diferentes de —40' y + 370°, dan notables ventajas al termómetro de mercurio sobre todos los demás.

Ventajas de termómetros de alcohol

Los termómetros de espíritu de vino son preferibles para medir temperaturas bajo cero grados, pero presentan algunos inconvenientes en la práctica si se les destina á determinar temperaturas que se aproximan ó pasan de 78°, pues con este calor el espíritu de vino hierve, y sus dilataciones son irregulares. Además, el líquido se evapora, y fácilmente se romperían los termómetros. Por estas razones físicas, para trazar la escala del termómetro de alcohol se toman los puntos extremos de 0° y de 100, y para las divisiones intermedias no se puede dividir simplemente en partes iguales, sino que es necesario trazarlas por comparación con un buen termómetro de mercurio.

Cambio de la posición del cero en los termómetros. Un defecto presenta el termómetro de mercurio, que también se halla en el de alcohol ó espíritu de vino y consiste en la diferente colocación que presenta el cero señalado en las escalas. Este defecto ha sido hasta ahora inevitable. Se le ha observado con el trascurso del tiempo, y se supone que la presión atmosférica, obrando sobre las paredes de la esfera, sea la causa de esta irregularidad. Mr. Crichton, para evitar el cambio de posición del cero termométrico, ha construido termómetros dando grande espesor á las paredes de las esferas; y si bien han conservado estos termómetros el cero invariable-por espacio de cuarenta años, se ha observado que tienen el defecto de ser poco sensibles, é inútiles para observar los cambios muy pequeños de temperatura.

Instrumentos a utilizar:

1. Un mili voltímetro

2. Una cocina eléctrica

3. Una termocupla.

En la práctica utilizamos dos tipos de termocupla:

3.1. 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, razón por la que la norma IEC la especifica NiCr - Ni. 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.

3.2. Tipo J (Fe - CuNi )

La termocupla Tipo J, conocida como la termocupla hierro - constantán, es la segunda más utilizada en los EE.UU. 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.

El constantán utilizado para termocuplas Tipo J no es intercambiable con el constantán de las termocuplas Tipo T y Tipo E, ya que el constantán es el nombre genérico de aleaciones cobre-níquel con un contenido de cobre entre 45 % y 60 %. Los fabricantes de las termocuplas Tipo J regulan la composición del conductor de cobre-níquel de manera que la fem de salida de la termocupla siga la curva de calibración publicada. Los elementos fabricados por las distintas empresas, con frecuencia no son intercambiables para el mismo tipo de termocupla.

Desarrollo practico

Se llevo a cabo el experimento siguiendo los siguientes pasos:

1) Se coloco el extremo inferior de la termocupla sobre l a hornilla.2) Se conectaron los extremos polares de la termocupla en el mili voltímetro.

3) Se calentó la hornilla.

4) Se controlo 15 minutos exactos en cada practica.

Pudimos apreciar:

En el experimento con la termocupla Tipo (Fe - CuNi ) en un tiempo aproximado a 15 minutos la relación era :

2 mv.-150º C

En el experimento con la termocupla Tipo (NiCr Ni) en un tiempo aproximado a 15 minutos la relación era:

4mv.-250 º C