escala termica
- 1. Instrumentación Industrial Trabajo Práctico #1 Profesor: Ing. Eladio Martínez. Tema: Escala Termométrica; Experimento de Torricelli; Puente de Wheatstone; Principio de funcionamiento de diferentes tipos de Censores. Alumno: Javier Enrique Ocaño Jiménez. Año: 2022.
- 2. 2 Índice. Escala Termométrica 2 Termómetros y escala de temperatura Celsius 2 Termómetro de gas a volumen constante y escala absoluta de_ temperatura 3 Escala Fahrenheit 5 Relación de las Temperaturas (Celsius, Kelvin, Fahrenheit 5 Escala de Rankine 6 Termómetro Réaumur 6 Experimento de Torricelli 6 Puente de Wheatstone 6 Principios de funcionamiento de los diferentes tipos de censores 7 Termómetros 7 Termostatos 9 Manómetros 9 Presostatos 11 Vacuómetros 12 Bibliografía 13
- 3. 3 Escala Termométrica. Son escalas para la cuantificación en base a puntos de referencia. Hay escalas que se basan en algunas temperaturas notables como el 0 o 100, otras en temperaturas arbitrarias de la naturaleza tales como el punto de congelación y evaporación del agua, o incluso en la temperatura corporal normal del ser humano y el punto de congelación del agua salada. Existen 3 escalas termométricas: 1. Celsius. 2. Kelvin. 3. Fahrenheit. 4. Rankine. 5. Termómetro Réaumur. Termómetros y escala de temperatura Celsius: Los termómetros son dispositivos que sirven para medir la temperatura de un sistema. Todos los termómetros se basan en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia a medida que varía la temperatura del sistema. Algunas propiedades físicas que cambian con la temperatura son Volumen de un líquido. Dimensiones de un sólido. Presión de un gas a volumen constante. Volumen de un gas a presión constante. Resistencia eléctrica de un conductor. El color de un objeto. Un termómetro de uso cotidiano consiste de una masa de líquido, por lo general mercurio o alcohol, que se expande en un tubo capilar de vidrio cuando se calienta. Como resultado la expansión térmica, el nivel del mercurio en el termómetro se eleva a medida que el termómetro se calienta debido al agua en el tubo de ensayo. En la escala de temperatura Celsius, esta mezcla se define como una temperatura de cero grados Celsius, que se escribe como 0°C; esta temperatura se llama punto de hielo del agua. Otro sistema usado comúnmente es una mezcla de agua y vapor en equilibrio térmico a presión atmosférica; su temperatura se define como 100°C, que es el punto de vapor del agua. Una vez que los niveles del líquido en el termómetro se establecen en estos dos puntos, la longitud de la columna de líquido entre los dos puntos se divide en 100 segmentos iguales para crear la escala Celsius. Por lo tanto, cada segmento indica un cambio en temperatura de un grado Celsius. Esta escala fue propuesta por el astrónomo sueco Anders Celsius en 1742. 20°C 30°C
- 4. 4 Termómetro de gas a volumen constante y escala absoluta de temperatura: Una versión de un termómetro de gas es el aparato de volumen constante que se muestra en la figura: Un termómetro de gas a volumen constante mide la presión del gas contenido en la ampolleta sumergida en un baño. El volumen del gas en la celda se mantiene constante al elevar o bajar el depósito B para mantener constante el nivel de mercurio en la columna A. El cambio físico que se aprovecha en este dispositivo es la variación de la presión de un volumen de gas fijo debida a la temperatura. La celda se sumerge en un baño de hielo–agua y el depósito de mercurio B se eleva o baja hasta que la parte superior del mercurio en la columna A esta en el punto cero de la escala. La altura h, la diferencia entre los niveles de mercurio en el depósito B y la columna A, indica la presión en la celda a 0°C. Enseguida la celda se sumerge en agua al punto de vapor. El depósito B se reajusta hasta que la parte superior del mercurio en la columna A de nuevo esta en cero en la escala así se asegura de que el volumen del gas es el mismo que era cuando la celda estaba en el baño de hielo (de ahí la designación de “volumen constante”). Este ajuste del depósito B da un valor para la presión de gas a 100°C. Una gráfica representativa de presión con temperatura tomada con un termómetro de gas a volumen constante. Los dos puntos representan temperaturas de referencia conocidas (los puntos de hielo y vapor del agua).
- 5. 5 Presión con temperatura para ensayos experimentales en gases que tienen diferentes presiones en un termómetro de gas a volumen constante. Note que, para los tres ensayos, la presión se extrapola a cero en la temperatura -273.15°C. Con este experimento sugiere algún papel especial que dicha temperatura particular debe jugar. Se usa como la base para la escala absoluta de temperatura, que establece - 273.15°C como su punto cero. Ya que los puntos de hielo y vapor son experimentalmente difíciles de replicar y todo esto depende de la presión atmosférica el comité internacional de pesos y medidas adopto una escala absoluta en función de dos nuevos puntos fijos. El primer punto es el cero absoluto. La segunda temperatura se eligió el punto triple del agua, que es la combinación única de la temperatura y presión en la que el agua líquida, gaseosa, y solida (hielo) coexisten en equilibrio. Este punto se presenta a una temperatura de 0.01°C y a una presión de 4.58mm de mercurio en la escala nueva que se usa la unidad kelvin, la temperatura del agua en el punto triple se estableció en 273.16 K. Esta elección se hizo de modo que la antigua escala absoluta de temperatura de acuerdo en los puntos de hielo y vapor concordaría de modo cercano con la nueva escala en función del punto triple. Esta escala de temperatura absoluta nueva (también llamada escala Kelvin) emplea la unidad del SI de temperatura absoluta, el kelvin, que se define como 1/273.16 de la diferencia entre el cero absoluto y la temperatura del punto triple del agua. Esta escala, desarrollada por el científico británico Lord Kelvin (1824-1907), pionero en termodinámica, utiliza grados Kelvin. Las notaciones para temperaturas en la escala Kelvin no usan el signo de grado. La unidad para una temperatura Kelvin es simplemente “kelvin” y no “grados Kelvin”. Escala Fahrenheit: Dicha escala ubica la temperatura del punto de hielo en 32°F y la temperatura del punto de vapor en 212°F. esta también se basa en un cero arbitrario asociado con una sustancia particular, agua, en un planeta particular, la Tierra. Esta escala debe su nombre al científico Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). Relación de las Temperaturas (Celsius, Kelvin, Fahrenheit). Siempre es conveniente convertir todas las temperaturas a Kelvins
- 6. 6 Escala de Rankine: Se denomina Rankine (símbolo R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859. El grado Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459,67 °F, y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. Termómetro Réaumur: Esta escala fue inventada por el científico francés René- Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757). Se divide en 80 partes iguales, cada una denominada Réaumur, cuyo símbolo es º R. El valor 0 es la temperatura de fusión del hielo y el valor 80 es la temperatura del agua hirviendo, tanto a presión atmosférica como en el hielo marino. Experimento de Torricelli. Un instrumento que se usa para medir la presión atmosférica es el barómetro común, inventado por Evangelista Torricelli (1608–1647). Un tubo largo cerrado en un extremo se llena con mercurio y luego se invierte en un contenedor con mercurio. El extremo cerrado del tubo es casi un vacío, así que la presión en lo alto de la columna de mercurio se considera cero. En la figura la presión en el punto A, debida a la columna de mercurio, debe ser igual a la presión en el punto B, debido a la atmosfera. Si este no fuera el caso, habría una fuerza neta que movería al mercurio de un punto al otro hasta establecer equilibrio. Puente de Wheatstone. El puente de Wheatstone sirve para medir el valor óhmico de una resistencia de valor desconocido (Rx). Las resistencias R1 y R2 son fijas y de un valor conocido. La resistencia R3 es variable y se mueve en una escala graduada, de tal forma que podemos saber su valor óhmico en todo momento. Se trata de modificar el valor de R3 hasta conseguir equilibrar el puente. Esto se consigue cuando el galvanómetro indica que la corriente es 0 (cero).
- 7. 7 Cuando el puente esta equilibrado, aplicando la 2da ley de Kirchhoff a las dos mallas formadas, se cumple que: Al dividir la ecuación (1) con la (2) conseguimos que las intensidades I1 e I2 se cancelen: Con esta última ecuación se puede averiguar el valor de una resistencia después de equilibrar el puente. El puente de Wheatstone solo sirve para medir resistencias de 500mΩ a 500kΩ, para resistencias menores a esos valores se usa el puente de Thomson que su campo de medida ronda entre 500µΩ y 6Ω. Principios de funcionamiento de los diferentes tipos de censores. Termómetros: son instrumentos de medición de temperatura. Todos los termómetros se basan en el principio de una propiedad física de un sistema que cambia a variar su temperatura. Estas propiedades son: 1. Volumen de un líquido. 2. Dimensiones de un sólido. 3. Presión de un gas a volumen constante. 4. Resistencia eléctrica de un conductor. 5. El color de un objeto. Existen diferentes tipos de termómetros basados en su principio de funcionamiento, estos pueden ser. a. Termómetros de Columna: su principio de funcionamiento se basa en la dilatación de un material (mercurio o Alcohol) al cambio de temperatura, que se encuentra herméticamente cerrada dentro de una columna de capilar.
- 8. 8 b. Termómetro de gas: esta funciona con la variación de presión de un gas con la variación de temperatura, este termómetro cuenta con una caratula que indica la temperatura, registras por la variación de temperatura. c. Termómetro de resistencia: son dispositivos de transductores de temperatura. Esta funciona con la dependencia de una resistencia eléctrica de un material con la temperatura, su resistencia eléctrica varia con la temperatura. d. Termómetro Bimetálico: Su principio se basa en una espiral bimetálica de respuesta rápida. Los dos metales que la constituyen tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, lo que hace que, al variar la temperatura, los metales cambien de longitud de manera diferente provocando una flexión que se transfiere a la aguja indicadora de la temperatura en la carátula. e. Termopar: Los termopares son transductores formados por la unión de dos metales distintos que producen un voltaje, (efecto Seebek) que es función de la diferencia de temperatura entre dos puntos extremos, uno de los cuales sirve de referencia. Generalmente los termopares se fabrican con tubos protectores o termo pozos con el fin de proteger las uniones del par metálico contra las atmósferas corrosivas y las altas presiones.
- 9. 9 f. Los termómetros infrarrojos: hacen posible la medición de la temperatura sin contacto por medio de la radiación infrarroja de un cuerpo. La mayoría de los termómetros infrarrojos poseen un rayo láser piloto para su mejor orientación (no para la medición de la temperatura). Los termómetros infrarrojos miden sola mente la temperatura superficial y no lo pueden hacer a través de un cristal. Su zona de medición es cónica extendiéndose a medida que se aleja del cuerpo al que se le está midiendo la temperatura. Termostatos: Un termostato es un dispositivo de control que actúa abriendo o cerrando un contacto de un circuito eléctrico en función de las variaciones de temperatura del lugar dónde se encuentre su elemento sensor o bulbo. Dependiendo de constitución interna los termostatos pueden ser de: a. Bimetal: su principio de funcionamiento se basa en la dilatación de los materiales, cuando esta se dilata puede abrir o cerrar el circuito indistintamente dependiendo del uso que lo aplica. b. Tubo Capilar: su principio de funcionamiento se basa en la expansión de fluidos, esta se compone de un capilar y un diafragma. Esta al aumentar la temperatura el fluido que se encuentra alojado dentro del capilar se expande empujando el diafragma, esto a su ves acciona uno contactos para abrir o cerrar el circuito dependiendo de la necesidad. Manómetros: son instrumentos de medidas de presión en recintos herméticamente cerrados. Se distinguen dos tipos de manómetros según su campo de aplicación. Están pueden ser para medir: a. Gases. b. Líquidos. En los manómetros en U: se indica la presión al desplazar un líquido. Para ello, se llena hasta la mitad con agua u otro líquido un tubo de cristal en forma de U. Cuando se crea una presión diferencial entre ambos lados de la U, entonces la columna de líquido se desplaza hacia el lado con menor presión. La diferencia del nivel es la medida para la presión diferencial.
- 10. 10 El manómetro de toro oscilante: es un toro hueco giratorio, con un diafragma, y que en parte está llenado con un líquido de cierre. Las cámaras situadas en la parte superior del líquido están conectadas a las presiones a medir, y giran el toro hasta que se haya establecido un equilibrio de fuerzas con un contrapeso fijado en la parte inferior. Los manómetros Bourdon: son medidores con aguja, cuyo muelle tubular se compone de un muelle bobinado en forma de caracol, circular o helicoidal, según el rango de presión a medir. Cuando se ejerce presión el muelle tubular, este se des bobina hasta cierto punto. El cambio en la presión del muelle tubular se transmite a la aguja a través de una varilla y una rueda dentada. Los manómetros de cápsula: son una forma especial del manómetro de placa flexible. Dos membranas elásticas superpuestas se sueldan en los bordes, generando así una cámara de presión. El medio a medir se transfiere a través de un tubo capilar a la membrana elástica, permitiendo que ambas membranas elásticas se doblen, usando para ello un desplazamiento doble.
- 11. 11 Presostatos: El presostato también es conocido como interruptor de presión. Es un aparato que cierra o abre un circuito eléctrico dependiendo de la lectura de presión. El fluido ejerce una presión sobre un pistón interno haciendo que se mueva hasta que se unen dos contactos. Cuando la presión baja, un resorte empuja el pistón en sentido contrario y los contactos se separan. Los tipos de presostatos varían dependiendo del rango de presión al que pueden ser ajustados, temperatura de trabajo y el tipo de fluido que pueden medir. Puede haber varios tipos de presostatos: • Presostato diferencial: Funciona según un rango de presiones, alta-baja, normalmente ajustable, que hace abrir o cerrar un circuito eléctrico que forma parte del circuito de mando de un elemento de accionamiento eléctrico, comúnmente motores. • Alta diferencial: Cuando se supera la presión estipulada para el compresor, el rearme puede ser manual o automático. • Baja diferencial: Cuando la presión baja más de lo estipulado para el compresor, el rearme puede ser manual o automático.
- 12. 12 Vacuómetros: El órgano de medida de nuestros vacuómetros está basado en el principio de funcionamiento del muelle Bourdon. Un extremo del muelle, hecho con tubos perfilados de aleación especial de cobre, se suelda al perno roscado del vacuómetro-manómetro, formando con este un solo cuerpo; en cambio, el otro extremo cerrado se deja libre. Al crecer la caída de presión o la presión en la parte interior, tiende a deformarse con respecto a su posición original (efecto Bourdon). El movimiento del extremo libre del muelle determina la medida de la caída de presión-presión. Para una mejor lectura, este movimiento se amplifica a través de una palanca de conexión y se transmite al índice.
- 13. 13 Bibliografía. 1. Raymon A. Serway Vol.1 7ma Edición. (Parte 3 Termodinámica Pag 531). 2. Electrotecnia de Pablo Alcalde San Miguel (Medidas Eléctricas Pag 165). 3. Vacuómetros y Manómetros (3.01 - 3.04.pdf (vuototecnica.es)). 4. Presostatos (Presostato (acomee.com.mx)) 5. Termómetros y sus Tipos (Termómetros_Tipos.pdf (unam.mx)).