1.-MENCIONE LOS TIPOS DE INDICADORES DE TEMPERATURAS TEMPERATURA S MAS COMUNES. Bulbo de mercurio Bulbo de gas
Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos
Bulbo de vapor
por la temperatura y entro los cuales figuran:
Vidrio y bimetálico Sonda de resistencia de Níquel Sonda de resistencia de Platino Sensor de Germanio Termistor
a) variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases) b) variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia) c) variación de resistencia de un semiconductor (termistores)
*Cromel-Constantan *Hierro-Constantan *Cromel-Alumel *Platino-Platino Rodio
d) f.e.m creada en la unión de dos metales distintos (termopares) e) intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación)
*Radiación bajo campo Radiación alto campo
f) otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas,
Pirómetro óptico
frecuencia de resonancia de un cristal)
Espectrofotómetro Paramagnético Germanio
2.-DESCRIBA EL FUNCIONAMIENTO DEL TERMOPAR EXPLICANDO LOS TRES EFECTOS POR LOS CUALES SE RIGE. RIG E. El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia fría (se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión y el efecto. Thomson, que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas
El efecto Peltier puede ponerse de manifiesto en la figura figura 6.18a una cruz térmica formada formada por la unión en su centro de dos metales distintos se hace pasar una corriente en uno u otro sentido con el interruptor K 2 Después de cada paso de corriente se abre k 1 (desconectándose la pila) y de sierra K 2 leyendo en el galvanómetro la f.e.m. creada, que es proporcional a la temperatura alcanzada por la cruz térmica en cada caso. El efecto Thomson puede detectarse en el circuito de la figura 3.18b formado por una barra metálica MN, con un termopar diferencial AB aislado y una bobina H para el calentamiento eléctrico centrada en la relación AB. En régimen calentando con la bobina H uno de los puntos, el B por ejemplo se presentará una diferencia de temperaturas con el A, lo que acusará en el galvanómetro; si ahora se hace pasar una corriente por la barra MN, se notará un aumento o disminución de la temperatura diferencial con el efecto contrario si se invierte la corriente. La combinación de los dos efectos, de Peltier y de Thomson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar
3.-DESCRIBA
EL FUNCIONAMIENTO DEL TERMÓMETRO DE BULBO DE MERCURIO.
El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar. Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son: Mercurio_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _35 hasta +280° C Mercurio (tubo capilar lleno de gas)_ _ _ _ _ _ _ 35 hasta + 450°C Pentano_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 200 hasta + 20°C Alcohol_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _110 hasta + 50°C Tolueno_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _70 hasta + 100°C
4.-DESCRIBA EL FUNCIONAMIENTO DEL TERMÓMETRO BIMETÁLICO. Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación, de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar (35.5% de níquel) laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, for mando espirales o hélices.
Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móv iles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto está construido con presión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan u n mantenimiento. La precisión del instrumento es C 1% y su campo de medida de 200 a + 500°C 5.-MENCIONE ALGUNAS APLICACIONES DE LOS INDICADORES DE TEMPERATURA
SIGUIENTES:
Termómetro bimetálico Termómetro de bulbo de mercurio Termopar 6.- ¿QUÉ ES ZONA UMBRAL Y ZONA DE SATURACIÓN DE UN INSTRUMENTO? Z ona
umbral le corresponde a la fuerza mínima que ha de vencer un sistema para empezar a actuar. Asociado a la propia
inercia del sistema. Z ona
de saturación es el valor límite de una variable. Por ejemplo cuando a partir de un cierto valor de salida de un
controlador la válvula no tiene efecto sobre la variable.
7.-DIGA PORQUE HAY DIFERENTES TIEMPOS DE RESPUESTA EN LOS INDICADORES DE TEMPERATURA MENCIONADOS CON ANTERIORIDAD.
8.- ¿CUÁL SERÁ
EL PROCEDIMIENTO MÁS ADECUADO PARA CALIBRAR UN TERMOPAR?, INDIQUE QUE MATERIAL USARÍA Y COMO LO ADAPTARÍA EN EL LABORATORIO. Se trata de calibrar un termopar de cobre-constantan a partir de la medida de su fuerza electromotriz (f.e.m.) a ciertas temperaturas conocidas (punto de fusión de algunas substancias químicas y los puntos de hielo y de vapor del agua). El uso de la curva de calibrado nos permitirá emplear dicho termopar como termómetro. Material Termopar cobre-constantan. Recipiente de vidrio pyrex para calentar agua. Termómetro. Polímetro para medir la f.e.m. del termopar.
Mechero Bunsen con soporte y rejilla. Tres tubos de ensayo grandes: tubo 1 (agua destilada) tubo 2 (parafina temp. de fusión 53 °C) tubo 3 (naftaleno. Temp. de fusión 80.5 °C).
Cuando existe un gradiente de temperaturas en un metal, los electrones libres (electrones de conducción) tienen energías térmicas superiores en el extremo más caliente (T = T h) que en el extremo frío (T = T c). Esto origina una difusión de electrones desde el lado caliente al frío. Dicho efecto recibe el nombre de " Efecto Thomson" (William Thomson, "Lord Kelvin", 1851). La difusión de electrones debido al gradiente térmico provoca un campo eléctrico proporcional a dicho gradiente, hasta que se establece el equilibrio provocado por el campo electrostático. De este modo se origina una f.e.m. del orden de unos pocos mV entre los extremos del metal, que se denomina f.e.m. Thomson o f.e.m. térmica. Este mismo fenómeno también ha sido observado a través de la unión de dos metales diferentes con funciones trabajo distintas. ¿Cómo se produce la difusión de electrones a través de la unión? Consideremos un electrón que pasa del metal 1 al metal 2; su velocidad se verá incrementada por el campo electrostático ya que éste es atractivo; al ser esta energía cinética superior a la media, tenderá a cederla por medio de choques con los demás electrones y se generará un calentamiento. Lo contrario sucederá para un electrón que pasa del metal 2 al 1 a través de la unión, dando lugar a un enfriamiento como consecuencia de la disminución de la energía cinética. En circuito abierto estos efectos se compensan. Ahora bien, si aplicamos una f.e.m. externa a través de la unión para producir un flujo neto de electrones desde el metal 2 al 1; entonces existirá un efecto neto de enfriamiento en la unión. Inversamente, una f.e.m. aplicada para pasar electrones del metal 1 al 2 producirá un efecto de calentamiento en la unión. A estos efectos se les denominan colectivamente " Efecto Peltier". Nótese que dicho efecto es diferente del calentamiento por efecto Joule, que está siempre presente. Así pues, si unimos dos metales diferentes por ambos extremos para formar un circuito completo, circulará a lo largo del mismo una corriente neta de electrones si las uniones están a distinta temperatura. Esta combinación de los efectos Thomson y Peltier se denomina " Efecto Seebeck". El circuito mencionado se denomina Termopar (figura 1).
Figura 1. Soldaduras que forman un termopar.
Estudios empíricos muestran que
I Th , Tc ! E Th Tc
1 2
2
F Th Tc ,
siendo E y F constantes características de los metales que forman el termopar. En la actualidad, los termopares industriales se construyen colocando una soldadura en el extremo de una vaina de aluminio o cerámica y la otra soldadura fuera de la vaina en contacto con la atmósfera, a la temperatura ambiente. Por ello, al medir la fuerza electromotriz del termopar situando éste por debajo de la temperatura ambiente de un recinto, la fuerza electromotriz que indicará el polímetro será cero. Este tipo de termo pares es el que vamos a utilizar en las prácticas de laboratorio. MÉTODO OPERATIVO
La figura 2 representa el montaje mediante el cual puede medirse la f.e.m. (I ) generada en el termopar que se dispone en la práctica.
+ Cu
Cu
±
(multímetro)
soldadura 2 (T ambiente)
Constantan vaina de protección
soldadura 1 (T de medida)
Figura 2. Montaje para medir la f.e.m. Conexión del termopar
La soldadura (1) del termopar (no visible, porque está contenida en una vaina metálica) se coloca en contacto con la muestra cuya temperatura deseamos medir. Ésa es la soldadura fría o soldadura de referencia del termopar. La otra soldadura (2) contenida en la parte exterior de la vaina estará situada siempre a la temperatura ambiente. Hay que procurar que la vaina quede bien centrada en el tubo de ensayo y no toque las paredes de éste. Se mide previamente la f.e.m. que indica el termopar cuando éste se coloca a la temperatura ambiente. Para la calibración se determina la f.e.m. del termopar para los siguientes puntos: Determinación del punto de hielo
Introducir la punta del termopar en un recipiente con hielo fundente (hielo en equilibrio con agua). Esperar un tiempo prudencial hasta que las soldaduras hayan alcanzado el equilibrio. Anotar la f.e.m. del termopar que marca el voltímetro. Determinación del punto de vapor
Poner agua en el tubo 1 e introducir de nuevo el termopar. Calentar el tubo hasta que hierva el agua. Anotar la lectura de la f.e.m. cuando el sistema esté estabilizado. (No tapar completamente el tubo de ensayo puesto que el tapón podría salir despedido como consecuencia de la sobrepresión). Determinación del punto de fusión de la
parafina
Calentar al "baño María" el tubo 2 hasta que se funda la sustancia sólida que contiene. Evítense las posibles sobrepresiones que puedan originarse como consecuencia del calentamiento, aflojando el tapón de goma. Al terminar el calentamiento, una vez que esté fundida la sustancia, dejar el tubo en su soporte correspondiente e introducir el termopar en el tubo de vidrio donde se encuentra la parafina procurando que la vaina no toque las paredes del tubo de ensayo. A partir de este momento, y durante 20 minutos, ir anotando cada 30 segundos la indicación del polímetro. Determinación del punto de fusión del naftaleno
Repetir todas las operaciones del apartado anterior con el tubo 3, que contiene naftaleno. Determinación de la temperatura del agua del grifo
Introducir la soldadura de medida del termopar en un tubo con agua del grifo y anotar la f.e.m. del termopar. Mídase también la temperatura con un termómetro, para comparar posteriormente ambas medidas. 9.-INDIQUE CUÁL ES LA RAZÓN DE QUE EXISTAN TERMÓMETROS BIMETÁLICOS DE VÁSTAGO DE DIFERENTE TAMAÑO Y COMO INFLUYE ESTO EN LA MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA. 10.- HAGA EL CÁLCULO DE CONVERSIÓN DE 185°F A °C, °K Y °R Y CALCULE LA CONVERSIÓN DE UNA DIFERENCIA DE TEMPERATURA ENTRE 180-90 GRADOS FAHRENHEIT A ¨ °C, ¨°K Y ¨°R.
