Práctica-2-termodinámica.docx

Instituto Nacional de México

Instituto tecnológico de Orizaba

Módulo: Termodinámica Práctica 2 Contingencia ambiental Alumno: Noemi Vázquez Juárez Docente: M. C. I. Q. José Ulises Roa Rosas Ingeniería química Grupo: 3c5D Fecha de realización de la práctica: 05 de marzo de 2018

PRÁCTICA No.2 TEMPERATURA OBJETIVO: Calibrar diferentes tipos de termómetros con respecto a un termómetro patrón. Aprender a usar los baños termostáticos y la importancia que tiene el control de la temperatura en la determinación de las propiedades físicas. COMPETENCIA: 1. Manejar los baños termostáticos para controlar la temperatura2. Calibrar diferentes tipos de termómetros con respecto a un termómetro patrón 3. Entender la importancia que tiene el control de la temperatura en la determinación de las propiedades físicas. FUNDAMENTOS TEÓRICOS: Equilibrio térmico. -Cuando dos sistemas se ponen en contacto a través de una pared que le permita el flujo de energía térmica, se dice que los sistemas están en contacto térmico. La experiencia indica que las variables termodinámicas de ambos sistemas se modifican espontáneamente y cuando esta evolución se detiene, decimos que ambos sistemas han alcanzado el equilibrio térmico

Pared diatérmica

Pared adiabática

A

B

Equilibrio térmico entre dos sistemas. En un estado de equilibrio térmico las propiedades del sistema A Y B no varían con el tiempo, aunque esto no quiere decir que las propiedades de ambos sistemas sean las mismas, si A y B son sustancias diferentes, todas las propiedades serán diferentes excepto una, la temperatura de ambos sistemas. Por lo cual podemos decir, que la temperatura es la propiedad que presentan en común dos sistemas en equilibrio térmico.

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La temperatura es una propiedad que no se mide en forma directa. Los termómetros se fundamentan en el equilibrio térmico para medir de manera indirecta esta propiedad. Cualquier propiedad física que cambie de manera reproducible con la temperatura puede ser la base de un termómetro. Las propiedades físicas usadas principalmente para termometría son cambios de volumen o presión de un gas a presión o volumen constante respectivamente (termómetros de gas), cambios de volumen de un líquido ( termómetros de mercurio o de un fluido diferente ), cambios de resistencia eléctrica de un hilo metálico (resistencia termoeléctrica de platino ), cambios de la fuerza electromotriz termoeléctrica ( termopares ) y para muy altas temperaturas, cambios de la distribución del espectro de radiación ( pirómetros de radiación ). Ninguna de esas propiedades tiene la misma dependencia con la temperatura y en consecuencia no producen la misma escala de temperatura. Esta dificultad se supera con la escala Kelvin, la cual es independiente de la propiedad de cualquier sustancia. La escala Kelvin se define en términos de la eficiencia de una máquina térmica reversible. En esta escala el grado se define como la centésima parte del punto de ebullición y el punto de congelación del agua. Por lo cual es necesario relacionar las diferentes escalas a la escala Kelvin o absoluta por calibración. La escala internacional de temperaturas define un lista de seis punto fijos primarios en el rango de -183° C a 1063 º C, además de numerosos puntos secundarios que pueden usarse para calibración. TERMÓMETROS Y SU CALIBRACIÓN En los laboratorios de las instituciones educativas, la temperatura generalmente se mide en el rango de –10 a 100° C .Este rango se cubre fácilmente por el termómetro de mercurio en vidrio (-30 º C a 350 º C) y termopares cobre -constantant (-250 ° C a 400 ºC) y cromo -aluminio (-250 ºC a 1100 ºC). Todos ellos requieren calibración. Los termómetros de mercurio generalmente se calibran por comparación con un termómetro patrón (calibrados en laboratorios de física) en un baño de recirculación de agua o aceite. El certificado con respecto al termómetro patrón contendrá detalles experimentales, tales como profundidad de inmersión, etc. que deben indicarse. El termómetro, una vez calibrado, debe después usarse bajo las mismas condiciones. Si se calibra por inmersión total y se llega a usar con parte del filamento expuesto, se debe aplicar una corrección de vástago. Si no se cuenta con un termómetro patrón, un termómetro se puede calibrar tomando el punto de ebullición del agua en un hipsómetro ( a presión normal ) y el punto de congelación del agua en una vaso Dewar. El punto de fusión del sulfato de sodio decahidratado (32.48° C), puede usarse como un punto intermedio. Un termómetro de mercurio dará una lectura de 32.48° C, porque la escala de mercurio en vidrio casi coincide con la escala absoluta en el intervalo de 0 º C a 100 º C. La máxima discrepancia ( 0.1° C ) se tiene a 40 º C en ese intervalo.

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TIPOS DE TERMÓMETROS.

Termómetro patrón Es aquel que sirve como termómetro de referencia (el que utilizamos fue de columna de mercurio) ya que está calibrado por una organización especializada, en el caso de México por el Sistema Nacional de calibración, encabezado por el Sistema nacional de Metrología, estos laboratorios fungen como agentes multiplicadores para llevar la exactitud y confiabilidad de la medición desde los patrones nacionales hasta los instrumentos de trabajo, que son millones en el país.

Termómetro bimetálico. El termómetro bimetálico o termómetro de lámina bimetálica basa su funcionamiento en el comportamiento de un bimetal: dos metales distintos unidos. Gracias a la diferencia de dilatación y contracción de cada metal con la temperatura, un bimetal se curva con las diferencias de temperatura. Si el bimetal es una espiral aumenta la sensibilidad del montaje a las diferencias de temperatura

Termómetro de columna de mercurio. El dispositivo sensible es un termómetro de mercurio que está constituido por un bulbo de vidrio que lleno con mercurio y que se comunica con un extremo de un tubo capilar cerrado por su otro extremo en el cual se ha practicado el vacío previo a su llenado. La dilatación o contracción de la masa de mercurio ante variaciones de su temperatura se manifiesta como variaciones de su longitud, las cuales son lineales con la temperatura, en el tubo capilar constituyendo así su magnitud termométrica. Para medir la temperatura, se necesita una escala de medición. Resulta particularmente útil medir la altura que la columna de mercurio alcanza cuando el bulbo se coloca en contacto con hielo fundente (temperatura que por definición corresponde a 0°C) y la que alcanza cuando se lo pone en contacto con agua en ebullición a nivel del mar (correspondiente a 100° C), ya que estos dos baños térmicos son sencillos de establecer en el laboratorio. La escala resultante se conoce como escala Celsius.

Termómetro láser. Un termómetro infrarrojo o termómetro láser es un dispositivo que mide la radiación infrarroja que es un tipo de radiación electromagnética por debajo del espectro visible de luz emitida por un

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objeto. El dispositivo es útil para medir la temperatura en circunstancias en las que no se pueden utilizar termopares o sondas. La luz infrarroja se puede enfocar, reflejar o absorber como luz visible. Los termómetros infrarrojos emplean una lente para enfocar la luz infrarroja de un objeto sobre un detector conocido como termopila. La función de la termopila es absorber la radiación infrarroja y convertirla en calor. La termopila se calienta ya que absorbe más y más energía infrarroja.

El termómetro digital es un instrumento de detección de temperatura portátil, tiene una sonda permanente y una cómoda pantalla digital. La forma en que funciona un termómetro digital depende de su tipo de sensor. Los tipos de sensores incluyen detector de temperatura de resistencia, termopar y termistor.

Resistencia. Son bobinas de alambre que exhiben cambios en la resistencia con cambios de temperatura. Miden la temperatura usando el coeficiente positivo de la temperatura de la resistencia eléctrica de metales. Cuanto más caliente se vuelven, mayor es el valor de su resistencia eléctrica. El platino es el material más comúnmente usado porque es casi lineal sobre una amplia gama de temperaturas, es muy exacto, y tiene un tiempo de reacción rápido. También son fáciles de calibrar y proporcionan lecturas muy precisas. Entre sus desventajas incluyen un rango de temperatura general más pequeño, un mayor costo y un diseño menos robusto.

CONTROL DE TEMPERATURA. BAÑOS TERMOSTÁTICOS. Los baños de temperatura constante o baños termostáticos son de los equipos más importantes en los laboratorios de termodinámica, puesto que, la mayoría de las propiedades estudiadas dependen de la temperatura. El baño termostático más simple está constituido por un tanque que se llena con agua (o aceite para temperaturas superiores a 60° C), una resistencia eléctrica, un agitador o un recirculador y un termostato con su punto de ajuste (controlador de temperatura). Para mantener el baño a

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temperatura constante debe suministrarse calor para compensar las pérdidas de calor por radiación, conducción o evaporación La temperatura se puede controlar con mucha precisión si al baño se le adapta un sumidero de calor. Los baños termostáticos se pueden aislar para evitar en gran medida las pérdidas calor y tener un mejor control de temperatura. Los baños termostáticos con sumideros de calor, abiertos y aislados logran controlar la temperatura con +0.1 ° C sobre el punto de ajuste, mientras que baños termostáticos con sumideros de calor cerrados y aislados controlan con + 0.01 ° C sobre el punto de ajuste. El fluido del baño termostático que se encuentra a temperatura controlada puede recircularse a través de dispositivos para determinar propiedades físicas tales como refractómetros, viscosímetros, polarímetros a procesos a los que se les desea controlar a la temperatura para la generación de datos

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REQUERIMIENTOS: 

Diferentes tipos de termómetros: Termómetro patrón, termómetros de columna de mercurio, termómetros clínico, termómetro bimetálico, termómetro de resistencia eléctrica, termómetro láser, termómetro digital.



Recirculador de inmersión con resistencia y controlador de temperatura.



Equipo termostático con resistencia y controlador de temperatura.



Dos tinas metálicas.

 

Voltímetro. Serpentín de cobre.

     

Cronómetro Parrilla eléctrica Vaso de precipitado de un litro. Rejilla para colocar termómetros 10 ligas para sujetar los termómetros. Sistema de refrigeración

ORGANIZACIÓN PARA EL DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:  El material y el equipo necesario para la práctica debe estar dispuesto.  Dividir el grupo de trabajo, de acuerdo al número de alumnos, en 2 o más equipos, con un promedio de 6 a 8 integrantes, se reparte el trabajo y se asignan roles: 2 operadores, 2 calculadores y el resto serán observadores. Si la práctica lo permite, se cambiarán los roles a los alumnos con la finalidad de que todos sean operadores, calculadores y observadores.  Los operadores deben montar el equipo e ir realizando la práctica paso a paso.  Los calculadores deben ir anotando los datos y resultados que se vayan obteniendo.  Los observadores deben estar atentos a la práctica, ayudar a los operadores si es necesario así como realizar anotaciones de los datos y resultados que se vayan obteniendo.  Al finalizar la práctica y, estando todo el equipo reunido, los calculadores deben realizar los cálculos, llenar tablas, hacer gráficas y obtener los resultados.  Entre todos deben llenar los cuestionarios y establecer la conclusión de la práctica.  Seleccionar un representante de cada equipo quien deberá realizar un informe. PROCEDIMIENTO PARA LA PRÁCTICA:    

Montar eI baño termostático con sumidero de calor como se muestra en la figura. Una tina funcionará como bañó termorregulador y la otra tina como sumidero de calor. Colocar el equipo termostático que cuenta con agitación y control de temperatura, en el baño en el que se controlará la temperatura Colocar los termómetros dentro del baño sujetándolos firmemente mediante ligas y de manera que se puedan tomar lecturas de temperatura con facilidad. Conectar el multímetro a la termoresistencia.

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

Colocar el recirculador de inmersión, en el baño que funcionará como sumidero de calor. Fijar en 0 °C la temperatura del punto de ajuste del recirculador para que la resistencia no suministre calor.  Conectar el sistema de refrigeración para mantener la temperatura del sumidero de calor a temperaturas menores a 15 ° C.  Accionar la bomba del recirculador. Mediante un serpentín de cobre eliminar calor en el baño en que se controla la temperatura. El serpentín se colocará en el baño de temperatura controlada. El fluido de enfriamiento se pasa por el serpentín y mediante mangueras se regresa al baño que funciona como sumidero de calor. El nivel del agua en la tina que funciona como sumidero de calor no variará.  Accionar el equipo termostático y controlar la temperatura del baño a 25 ° C, 30 ° C, 35 ° C y 38º C.  Leer la temperatura en cada termómetro y registrar los valores en la tabla de resultados, para cada temperatura que se controla en el baño termostático. Repetir tres veces las lecturas con intervalos de un minuto. Registrar las lecturas en las tablas de resultados.  Leer, mediante un voltímetro, la resistencia en Ohms de la termo resistencia (RTD ). Registrar las lecturas en las tablas de resultados.  Calentar agua en un vaso de precipitados de 1 litro utilizando una parrilla eléctrica.  Hacer lecturas para temperaturas entre 50 y 70 grados, mediante un termómetro de vidrio, y con la termoresistencia y el multímetro tomar las lecturas de las resistencias a las temperaturas seleccionadas con la finalidad de contar con información en un intervalo de temperaturas más amplio. PRECAUCIONES Y RECOMENDACIONES CON EL EQUIPO.   

   

El termómetro patrón y la termoresistencia son dispositivos frágiles y muy costosos. La temperatura máxima del termómetro patrón es de 40º C. Trabajar con temperaturas superiores ocasionará que el termómetro explote. El control de temperaturas del equipo termostático de agitación mecánica se acciona mediante un magneto que hace girar una tuerca. Cuidar que la tuerca nunca llegue al extremo inferior (no fijar temperaturas menores a 20 ºC ) porque la tuerca puede quedar atrapada en la parte inferior y el magneto no tendrá la fuerza suficiente para moverlo, dejando con esto inservible el equipo. No prender nunca los equipos termostáticos si estos no se encuentran dentro del baño de agua o aceite. El recirculador de inmersión tiene una alarma de protección que indica cuando el nivel del baño es crítico. No operarlo en estas condiciones Tener cuidado de no mojar el multímetro portátil. Conectar los equipos a una sola mesa cuidando que no haya cables que puedan ser arrollados con el paso de alguna persona.

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OBSERVACIONES Cuando comenzó la práctica el docente explicó el funcionamiento del equipo, de igual forma, mor informó sobre que este no se encontraba en perfecto estado debido a que ya tenía cierta antigüedad, puesto que este no mantenía una correcta calibración aun estando calibrado. Para la toma de mediciones de las temperaturas, el grupo fue dividido tres pequeños grupos, donde los primeros dos equipos tomaron las mediciones del equipo a 25°C, los equipos 3 y 4las mediciones de 30°C y el equipo 5 las de 35°C

DATOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS EN LA PRÁCTICA Lecturas de termómetros: Punto de ajuste 30ºC Tiempo

Termómet

Termómet

Termómet

Termómet

Termómet

Termo

(Minutos)

ro patrón

ro

ro de

ro

ro digital

resistencia

(°C)

bimetálico

columna

Láser

(°C)

(Ohms)

(°C)

(°C)

(°C)

1

26

28

26

26

26

111.9

2

26.5

29

26

28

27

111.8

3

27

26

26

27

27

111.8

Promedio

26.5

27.66

26

27

26.66

9

111.83

Lecturas de termómetros: Punto de ajuste 30ºC

Tiempo (Minutos)

Termómetro Termómetro Termómetro Termómetro Termómetro

Termo

patrón

bimetálico

de columna

Láser

(°C)

(°C)

(°C)

(°C)

1

30

30

30

31

30

113.4

2

30.5

30

30

31

31

113.2

3

31.5

30

31

33

32

113.2

Promedio

30.66

30

30.33

31.66

31

113.36

10

digital (°C)

resistencia (Ohms)

 Lecturas de termómetros: Punto de ajuste 35ºC 

En este caso, la mesa 5 tomó las lecturas del ajuste a 35°C que se muestran a continuación en la tabla 3.

Tiempo (Minutos)

Termómetro Termómetro Termómetro Termómetro Termómetro

Termo

patrón

bimetálico

de columna

Láser

(°C)

(°C)

(°C)

(°C)

1

34.5°C

32°C

34°C

37°C

35°C

114.5 Ω

2

36.2°C

34°C

36°C

38°C

36°C

114.6 Ω

3

36.9°C

38°C

37°C

37°C

37°C

114.6 Ω

Promedio

35.86 °C

34.66°C

35.66°C

37.33°C

36°C

114.56 Ω

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digital (°C)

resistencia (Ohms)

CÁLCULOS:

1. Determinar la temperatura promedio para cada temperatura controlada.

2. Graficar las lecturas de resistencia eléctrica en el eje de las Y contra la temperatura del termómetro patrón en °C en el eje de las X.

RESISTENCIA

Resistencia de acuerdo a la temperatura del termómetro patrón. 115 114.8 114.6 114.4 114.2 114 113.8 113.6 113.4 113.2 113 112.8 112.6 112.4 112.2 112 111.8 111.6 111.4 111.2 111 110.8 110.6 110.4 110.2 110

114.5

114.6

114.6

36.2

36.9

113.4

111.9

26

111.8

111.8

26.5

27

30

113.2

113.2

30.5

31.5

TEMPERATURA Resistencia

12

34.5

3. Ajustar mediante regresión lineal (método de mínimos cuadrados) los datos experimentales de resistencia eléctrica (Ω) contra la temperatura en (°C) La resistencia eléctrica de un hilo varía linealmente de acuerdo a la siguiente expresión.

4. Ajuste de los datos experimentales a la ecuación de una recta.

Y= A + BX

Ω=A+BT

O

Dónde: Y= 

;

X= T

Por el método de mínimos cuadrados determinar los valores A y B y los valores de R0 y 

Termómetro patrón. T. promedio (°C)

Resistencia en Ohms ()

X

Y

26.5 °C 30.66 °C

XY

X2

111.83 Ω

2963.4950

702.25

113.36 Ω

3472.5516

940.0356

13

35.86 °C

114.56 Ω

4108.3606

1285.9396

X= 93.02

Y= 339.65

XY= 10544.40727

X2=2928.2252

B

n ( XY )   ( X ) (Y )

 ( X ) (Y )   ( X ) ( XY ) A n X  ( X ) 2

n X 2  ( X )2

2

SUSTITUCIÓN.

B

B=

n ( XY )   ( X ) (Y ) n X 2  ( X )2

3(10544.70727)−(93.02)(339.65) 3(2928.2252)−(8652.7204)

37.757 B= 131.95

B= 0.2861

 ( X ) (Y )   ( X ) ( XY ) A n X  ( X ) 2

2

2

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2

(𝟐𝟗𝟐𝟖.𝟐𝟐𝟓𝟐)(𝟑𝟑𝟗.𝟔𝟓)−(𝟗𝟑.𝟎𝟐)(𝟏𝟎𝟓𝟒𝟒.𝟒𝟎𝟕𝟐𝟕) A= 𝟑(𝟐𝟗𝟐𝟖.𝟐𝟐𝟓𝟐)−(𝟖𝟔𝟓𝟐.𝟕𝟐𝟎𝟒) 𝟏𝟑𝟕𝟑𝟎.𝟗𝟐𝟒𝟖𝟖 A= 𝟏𝟑𝟏.𝟗𝟓𝟓𝟔

=

A= 104.0571 4. Utilizando los valores de A y B ajustados, transformará los valores de resistencia en Ohmns a unidades de temperatura en ºC .

T= ( -A )/ B

TABLAS DE RESULTADOS

Termómetro

Resistencia

Tajustada

Patrón (°C)

(Ohms)

T=(-A)/B

26.5 °C

111.83 Ω

27.0636

30.66 °C

113.36 Ω

32.16672

35.86 °C

114.56 Ω

36.71059

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CONCLUSIONES: En esta práctica, nos dimos cuenta que la temperatura es una propiedad de la materia que puede medirse como magnitud de distintas maneras, aprovechamos alguna característica de la sustancia (propiedad termométrica) para obtener una medida, la más común es la dilatación y cada termómetro la aprovecha para funcionar. Cada termómetro nos puede servir para distintas situaciones, además, cada uno presenta distintas escalas, por lo tanto precisiones, materiales de elaboración y tipo de lectura. El baño termostático, además de aplicarlo para otros procedimientos que involucren la conservación de calor,

sirvió para demostrar que cada

termómetro marca lecturas diferentes y la importancia de calibrar todos los instrumentos de medición en un laboratorio para trabajar con calidad.

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Fuentes de consulta: Termómetro patrón. FEMTO Instruments S.L. (2017). Termómetros patrón. 9 de marzo de 2018, de FEMTO Instruments S.L. Sitio web: http://www.femto.es/termometro-patron. Calibración. Centro Nacional de Metrología. (2017). Servicio de calibración de instrumentos y patrones

de

medición.

9

de

marzo

de

2018,

de

gob.mx

Sitio

web:

http://www.cenam.mx/transparencia/info.aspx. Termómetro bimetálico. Conrado. (2015). Termómetro bimetálico. 9 de marzo de 2018, de Aparatos

técnicos

e

instrumentación

Sitio

web:

http://aparatostecnicos.blogspot.mx/2015/04/termometro-bimetalico.html Termómetro de Mercurio. Facultad de matemática, astronomía y física UNC. (2013). Calibración de termómetros. 9 de marzo de 2018, de Facultad de matemática, astronomía y

física

UNC

Sitio

web:

http://www.famaf.unc.edu.ar/~pury/docencia/FG2-

2013/lab01.pdf Termómetro de láser. Periodico de salud. (2017). Termómetro infrarrojo. 9 de marzo de 2018, de Periodico de salud Sitio web: https://periodicosalud.com/termometro-infrarrojo-que-esfuncionamiento-usos-tipos/.

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Termómetro digital. Periodico de salud. (2017). Termómetro digital. 9 de marzo de 2018, de Periodico de salud Sitio web: https://periodicosalud.com/termometro-infrarrojo-que-esfuncionamiento-usos-tipos/. Termorresistencia. Jemar Termometria S.L.. (2018). Termorresistencias. 04 de marzo de 2018, de Jemar Termometria S.L. Sitio web: http://jemartermometria.com/termorresistencia.

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