Medicion De Temperatura

Objetivos

Objetivo General:

Familiarizar al estudiante de Ingeniería Mecánica con los distintos instrumentos usados para medir temperatura.

Objetivos Específicos:

Aprender el principio de funcionamiento de los instrumentos de medición de temperatura utilizados en la práctica.

Utilizar correctamente los instrumentos de medición de temperatura existentes en el laboratorio y tomar los datos correspondientes.

Expresar de forma escrita y con propias palabras el principio de funcionamiento de los diferentes instrumentos utilizados.

Identificar la aplicación mas adecuada de los diferentes instrumentos utilizados.

Calibrar un instrumento de medición de temperatura.

Introducción

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" que otro puede considerarse que tiene una temperatura mayor, y si es frío, se considera que tiene una temperatura menor. En física, 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 translacional, 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. 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.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero absoluto", y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius (antes llamada centígrada); y, en mucha menor medida, y prácticamente sólo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y sólo en algunos campos de la ingeniería.

La temperatura es una propiedad física que se refiere a las nociones comunes de calor o ausencia de calor, sin embargo su significado formal en termodinámica es más complejo, a menudo el calor o el frío percibido por las personas tiene más que ver con la sensación térmica (ver más abajo), que con la temperatura real. Fundamentalmente, la temperatura es una propiedad que poseen los sistemas físicos a nivel macroscópico, la cual tiene una causa a nivel microscópico, que es la energía promedio por partícula.

Al contrario de otras cantidades termodinámicas como el calor o la entropía, cuyas definiciones microscópicas son válidas muy lejos del equilibrio térmico, la temperatura sólo puede ser medida en el equilibrio, precisamente porque se define como un promedio.

La temperatura está íntimamente relacionada con la energía interna y con la entalpía de un sistema: a mayor temperatura mayor será la energía interna y la entalpía del sistema.

La temperatura es una propiedad intensiva, es decir que no depende del tamaño del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente y no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que este compuesto.

Fundamentos Teóricos

Para determinar las temperaturas de diferentes sistemas, el procedimiento más sencillo es definir arbitrariamente uno de los sistemas como un indicador del equilibrio térmico entre él y los demás sistemas. El sistema elegido se llama termómetro. Así, un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio se coloca bajo la lengua del paciente y se espera que alcance el equilibrio térmico con su boca. Se puede ver cómo el líquido plateado (mercurio) se expande dentro del tubo de vidrio, se lee en la escala del termómetro para saber la temperatura del paciente.

El termómetro debe cumplir con dos características importantes:

1- Debe perturbar mínimamente el estado de los sistemas con los que se ponga en contacto.

2-Debe presentar alguna variable de estado fácilmente medible y que varíe apreciablemente ante un cambio pequeño de la temperatura. Esta propiedad será reconocida como la propiedad termométrica del sistema.

Algunos ejemplos de estas propiedades termométricas son:

el volumen de un líquido en un capilar

la longitud de una varilla

la resistencia eléctrica de un alambre

el volumen de un gas mantenido a presión constante

la presión de un gas mantenido a volumen constante

la fuerza electromotriz generada por un termopar

El primer verdadero termómetro fue inventado en Florencia en 1654 por el gran duque de Toscana. El aparato, de alcohol, tenía 50 graduaciones. En invierno, bajaba hasta 7 grados y subía, en verano, hasta 40 grados. En el hielo fundiéndose, marcaba 13,5°. (V)

Luego en 1702, el astrónomo danés Ole Roemer (1644-1710) fabrica un termómetro de alcohol que marca el agua hirviendo a 60° y el hielo pilado a 7,5°.

En 1717, el sabio alemán Fahrenheit (1686-1736) remplaza el alcohol por mercurio. Fijó a 32° la temperatura del hielo derritiéndose y a 96° la temperatura normal de la sangre. El dio al termómetro su forma definitiva. (V)

En 1730, Réaumur, físico y naturalista francés, construyó el termómetro a alcohol para el cual se utilizaba la escala de 0-80.

Celsius, físico sueco (1701-1744) construyó en 1742 un termómetro de mercurio que marcó 100° el punto de congelación del agua y 0° el punto de ebullición del agua... Pero en 1745, Linné (1707-1778) invirtió la escala de temperaturas y presentó a la Academia Sueca un termómetro de mercurio que marcaba 0° para el hielo derritiéndose y 100° para el agua en ebullición. (V)

En 1780, J. A. C. Charles, físico francés, mostró que para un mismo incremento de temperatura a presión constante, todos los gases tienen un muy similar aumento de volumen ya que los coeficientes de expansión térmica de los gases son tales que están muy cerca uno del otro. De manera similar, si se mantiene el volumen constante, la presión de los gases es proporcional a la temperatura. Con esto es posible establecer una escala de temperatura basada en un solo punto fijo en vez de dos, tal como la Fahrenheit o Celsius. Esto nos lleva a termómetros que usan gas como medio termométrico (termómetros de gas). Éstos son notables por su sensibilidad, exactitud de medición y reproductibilidad. Un esquema de este tipo de termómetros es el que se usa en la figura 3. Se utilizan principalmente en las oficinas de normas y en algunos laboratorios universitarios de investigación. Usualmente son de gran tamaños, voluminosos y lentos en alcanzar el equilibrio térmico.

El gas, ordinariamente helio, está confinado en el bulbo C y la presión que éste ejerce puede medirse con un manómetro de mercurio de rama abierta. A medida que aumenta la temperatura del gas, éste se dilata y obliga al mercurio a bajar en el tubo B y ascender en el tubo A. Los tubos A y B se comunican a través de un tubo de caucho D, con un depósito de mercurio R. Al elevar R el nivel de mercurio en B puede enrasarse con la marca de referencia E. Así el gas se mantiene a volumen constante.

P. Chappuis in 1887 dirigió extensos estudios sobre los termómetros de gas con presión constante o con volumen constante usando hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono como medios termométricos. Basado en estos resultados, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la escala de hidrógeno a volumen constante tomando como puntos fijos el punto de hielo (0° C) y de vapor (100° C) como escala práctica para la meteorología internacional.

Los experimentos con termómetros de gas han mostrado que la diferencia es muy pequeña en la lectura de temperaturas utilizando diferentes gases y se hace casi nula cuando la presión tiende

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