termodinamica utem

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  • UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA

    GUIAS DE LABORATORIO

    TERMODINAMICA

    INGENIERIA INDUSTRIAL

    MARZO, 2008

  • UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA Departamento de Mecnica

    EXPERIENCIA N :1 TTULO : TERMOMETRA ASIGNATURA : TERMODINMICA

    1. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

    1.1 OBJETIVOS GENERALES

    Conocer lo fundamentos de la termometra como actividad esencial de la termodinmica y los diferentes instrumentos utilizados para medir y registrar la temperatura.

    1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

    Comprender el principio de medicin y de registro de diferentes instrumentos utilizados para medir y

    registrar la temperatura. Conocer operativamente el manejo, uso prctico y limitaciones de diferentes tipos de termmetros. Medir, registrar, comparar y evaluar temperaturas de slidos, lquidos y gases, tomadas con los

    diferentes tipos de termmetros. Definir la curva temperatura = f(distancia) los gradientes de calentamiento de una barra metlica delgada

    sometida al contacto de una fuente calrica. 2. INTRODUCCIN TERICA En todos los procesos termodinmicos 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 energa trmica de un cuerpo o sustancia. La temperatura a nivel molecular est relacionada con la energa media de las molculas que componen una sustancia. Los tomos y las molculas no siempre se mueven a la misma velocidad, esto significa que hay un rango diferente de energa entre ellas. Por ejemplo, en un gas las molculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades, algunas se mueven rpido y otras ms lentamente, al colisionar las que se mueven ms deprisa transfieren parte de su energa a las que se mueven ms lento, como resultado se desaceleran las rpidas y se aceleren las lentas. Si agregamos energa al sistema, la velocidad media de las molculas se incrementa, produciendo energa trmica 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 nmero de partculas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamao. Por otro lado, se supone que a la temperatura del cero absoluto cesa el movimiento atmico y molecular. El cero absoluto tiene lugar a 0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius -460 grados Farenheit. Todos los objetos en la naturaleza tienen una temperatura ms alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energa trmica o calor. La medicin de la temperatura se realiza aprovechando algunos de los siguientes principios de los cuerpos y sustancias: la dilatacin de lquidos, la diferencia de potencial de cuerpos diferentes en contacto, la variacin de la resistencia elctrica con el calor, la emisin de energa electromagntica de los cuerpos, la dilatacin diferencial de slidos en contacto, la presin, etc. 2.1 Tipos de termmetros

    El termmetro de vidrio, es un tubo capilar de vidrio al vaco con mercurio, alcohol u otro fluido lquido (ver Tabla 01). El fluido se dilata ms rpidamente que el vidrio, ascendiendo por las paredes al aumentar la temperatura. El termmetro de mercurio es el ms usado, puede funcionar desde los -39 C (punto de congelacin) a 357 C (punto de ebullicin), permiten una lectura directa y no son muy precisos para fines cientficos. El termmetro de alcohol coloreado, menos preciso que el mercurio, registra temperaturas desde -112 C (punto de congelacin del etanol) hasta 78 C (su punto de ebullicin).

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    Tabla 01: Lquidos usados en termmetros de vidrio Lquido Temp. Inf.

    Temp. Sup. Humectante

    Mercurio -38,5 800 no

    Mercurio-talio -58 1150 no

    Galio 0 1200 no

    Pentanio -200 35 si

    Etanol -110 35 si

    Pentanol -115 135 si

    Tolueno -90 100 si

    Cresota -40 210 si

    Petrleo -45 160 si

    En el termmetro de termopar o termocupla, pila termoelctrica,

    consta de dos cables de metales diferentes unidos en un extremo (ver Figura 01), que producen un voltaje que vara con la temperatura de la conexin. 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 penetracin.

    Figura 01: Tipos de montajes para termocuplas

    Tabla 02: Tipos de termocuplas usadas para medir la temperatura Tipo Denominacin Composicin y smbolo

    Rango de temperaturas (C)

    Dimetro 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. constatn 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.

    nquel (Chromel vs. Alumel )

    NiCr - Ni 0...1000(1.300)

    0 ... 900 (1.200)

    3 2 mm

    1,38 mm

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

    0...37,325 (48,828) T Cobre vs. constatn Cu - CuNi -200 ... 700 (900) 0,5 mm -5,60 ... 14,86 (20,86) E Niquel-cromo vs.

    constatn (Chromel vs. constatn )

    NiCr - CuNi -200 ... 600 (800) 3 mm

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

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

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    En un termmetro de termistor un semiconductor vara su resistencia elctrica en funcin 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), estn constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado; es decir, su conductividad crece muy rpidamente con la temperatura, se fabrican de xidos semiconductores como el nquel, zinc, cobalto, tc., la relacin 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: limitacin de corriente, sensor de temperatura, desmagnetizacin y para la proteccin contra el recalentamiento de equipos tales como motores elctricos; tambin se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensacin. Estos termmetros pueden ser de sonda o de penetracin.

    Los termmetros infrarrojos hacen posible la medicin de la temperatura sin contacto por medio de la radiacin infrarroja de un cuerpo. Algunos poseen un rayo de luz piloto para su mejor orientacin. Los termmetros infrarrojos miden solamente la temperatura superficial de superficies visibles, por tanto no lo pueden hacer a travs de un cristal. Si mide superficies metlicas brillantes, como por ejemplo superficies de cilindros, solamente podr utilizar los aparatos para determinar tendencias de temperatura. No es posible realizar una medicin absoluta con los termmetros infrarrojos en superficies pulidas con brillo.

    El pirmetro o pirmetro ptico, es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una

    sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El trmino se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 C. Una aplicacin tpica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones. Se gira un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo de visin, cuando el color del filamento es idntico al del metal, se puede leer la temperatura en una escala segn el ajuste del color del filamento.

    El pirmetro de absorcin-emisin, se utiliza para determinar la temperatura de gases a partir

    de la medicin de la radiacin emitida por una fuente de referencia calibrada, antes y despus de que esta radiacin haya pasado a travs del gas y haya sido parcialmente absorbida por ste. Ambas medidas se hacen en el mismo intervalo de las longitudes de onda.

    El termmetro bimetlico consiste en una cinta hecha de dos metales de coeficientes de dilatacin

    trmica muy diferente, tales como el invar (Fe-Ni 36%) y el latn, soldados cara con cara en toda su longitud. La cinta puede ser casi recta o puede formar una espiral para conseguir mayor sensibilidad. Una elevacin de temperatura cambia la curvatura de la cinta, puesto que el latn aumenta ms rpidamente en longitud que 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

    Un termmetro de gas, a presin constante o a volumen constante. El sistema se llena con un gas inerte

    a presin, generalmente nitrgeno, puesto que la presin del gas en un recipiente cerrado es proporcional a su temperatura absoluta, el elemento medidor puede ser calibrado en grados de temperatura con una escala dividida uniformemente. Son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibracin de otros termmetros. Solo se emplea en los laboratorios como patrones a causa de su complejidad y de su tamao.

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    El termmetro de vapor a presin se fundamenta en que una