GUÍA DE PRACTICA DE LABORATORIO. TERMODINÁMICA
Enviado por CrisAyala • 12 de Febrero de 2022 • Práctica o problema • 3.294 Palabras (14 Páginas) • 215 Visitas
[pic 1]UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE[pic 2]
FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRONICA
[pic 3][pic 4]
IBARRA
2021
GUÍA DE PRACTICA DE LABORATORIO | |
ASIGNATURA: | TERMODINÁMICA |
DOCENTE ENCARGADO: | Ing. Gustavo Mosquera - Ing. Jorge Lara |
N° DE PRACTICA DE LABORATORIO: | Ejercicio A con el equipo TH-1 |
TEMA: | Propiedades termodinámicas |
OBJETIVOS: | Investigar las propiedades termoeléctricas de un dispositivo de resistencia de platino en termopar y un termistor para investigar el efecto de la temperatura en un dispositivo de líquido en vidrio para investigar el efecto de la temperatura en un termómetro bimetálico |
METODO: | Examinar los cambios en las propiedades salida el sensor de una gama de dispositivos sensibles a la temperatura utilizando un baño de agua caliente [pic 5] |
EQUIPAMENTO | Agua destilada Equipo TH1 [pic 6] |
FUNDAMENTO TEÓRICO: | |
Hay varias técnicas disponibles para medir las variaciones de temperatura. Todos son posibles porque algunas propiedades mensurables de un dispositivo varían con la temperatura, como la resistencia eléctrica o el volumen. 14.3 Introducción a la medición de la temperatura 14.3.1Temperatura La temperatura es un concepto difícil de entender, y describirlo como el calor o la frialdad de un cuerpo no es adecuado cuando se requieren mediciones exactas. Técnicamente se define como una indicación de la intensidad de la actividad molecular. Esto significa que un aumento en la temperatura de un material resulta en (o desde) un aumento en la vibración de las moléculas de los materiales. La temperatura de un cuerpo "frío" se eleva por la introducción de energía, lo que aumenta la vibración de las moléculas, es decir, el cuerpo se calienta. 1 4.3.2 Medición de la temperatura La medición de la temperatura generalmente se logra colocando una sonda sensible a la temperatura o indicador en contacto. con el cuerpo a medir, y permitiendo que alcance el equilibrio térmico con el cuerpo. La temperatura se indica entonces mediante un cambio en alguna propiedad de la sonda. Este cambio se puede medir y comparar con el comportamiento del sensor a temperaturas conocidas. Las alternativas se basan en la medición de la radiación electromagnética (por ejemplo, la luz) emitida por el cuerpo y requieren el conocimiento de la emisividad del cuerpo. Por ejemplo, la temperatura aproximada del acero caliente se puede juzgar por el color de la luz emitida, pasando de un rojo opaco a 540 °C a un blanco cercano a 1430-1540 °C. Se pueden diseñar sensores que midan la longitud de onda de la radiación emitida o la intensidad de la radiación de una longitud de onda específica. Estos sensores tienen la ventaja de ser utilizables sin requerir contacto físico con el cuerpo para ser medidos, pero se utilizan más comúnmente a temperaturas muy altas (por encima de 500 ° C). 1 4.3.3 Aplicaciones en termometría La elección del instrumento para medir la temperatura en una aplicación particular depende de la precisión de la medición requerida y del estado del cuerpo, es decir. ya sea sólido, líquido o gaseoso. 14.3.4 Cuerpos sólidos Si se requiere la temperatura interna de un cuerpo sólido, será necesario perforar un orificio para insertar un termómetro. Si el punto de medición requerido está cerca de la superficie, entonces se puede perforar un pozo en el cuerpo y, llenarlo con un fluido adecuado para ayudar a la transferencia de calor, se puede insertar un termómetro de expansión de líquido en el pozo para la medición de la temperatura. La medición dinámica de la temperatura de la superficie puede efectuarse mejor con un termopar de contacto. Cuando se requiere una precisión particular, los elementos de resistencia al platino están disponibles en forma de película adecuada para unirse directamente a una superficie. Los indicadores térmicos se pueden aplicar a la superficie donde el acceso no es práctico. Estos proporcionan una indicación permanente o la temperatura máxima alcanzada. Un termómetro líquido en vidrio no es adecuado para mediciones de superficie. 14,3.5 Líquidos y gases Prácticamente se puede utilizar cualquier instrumento, siempre que se pueda colocar dentro del líquido o gas en una posición adecuada. Cuando el fluido está estacionario, la medición de la temperatura solo será precisa si hay suficiente mezcla para dar una temperatura uniforme. En el caso del flujo de líquido o gas en las tuberías, es habitual proporcionar un bolsillo en la pared de la tubería en el que se pueda instalar un termómetro. El tipo de termómetro depende principalmente de la precisión. El pozo debe extenderse lo más lejos posible dentro de la tubería y debe llenarse con líquido para ayudar en la transferencia de calor al termómetro. 14.3.6 Costo de la medición de la temperatura Una consideración no técnica, pero importante, al seleccionar una técnica para la temperatura la medición se refiere al costo del sensor y cualquier instrumentación asociada. La instrumentación electrónica tiende a ser más costosa que la termometría mecánica, pero ofrece una mayor precisión de medición y la capacidad de usar lectura remota u operación multicanal. La selección de un termómetro para una aplicación en particular también debe tener en cuenta el costo de instalación y mantenimiento. | |
Operación de Equipos | Compruebe que el agitador y el calentador estén apagados, y que hipsómetro / de agua esté frío. Quite la chimenea ranurada en la salida de vapor y llene el hipsómetro I baño de agua hasta que el nivel de agua esté entre las dos marcas superiores en el punto de mira situado delante. Reemplace la chimenea ranurada. Para este experimento, se usarán los siguientes sensores: el PT100 industrial, la referencia PTF100 el Termopar de cordón desnudo recto, termistor, termómetro de líquido en gaseado y termómetro bimetálico. Compruebe que todos los sensores estén firmemente sujetos en el soporte. Las tuercas de prensaestopas en la parte superior deben apretarse con los dedos. Tenga mucho cuidado de no dañar los sensores o ainas Verifique que los sensores están conectados a la consola, con los enchufes en los lugares correctos. El sensor industrial PT100 debe conectarse. El interruptor del termopar debe estar en "REF." Coloque el soporte del sensor en su posición en la parte superior del baño de agua, insertando suavemente el sensor a través de los agujeros en la empaquetadura. |
Procedimiento | Realice una lectura inicial para cada uno de los sensores. Si está grabando datos manualmente, use el interruptor rotativo en la consola para cambiar la pantalla digital entre la salida del sensor de la PRT de referencia, la PRT industrial, la termocupla y el termistor. Las lecturas del termómetro bimetálico y del termómetro de líquido en vidrio deben tomarse directamente de las balanzas en los mismos dispositivos. Encienda el calentador y el agitador. A medida que la temperatura del baño de agua aumenta, tome lecturas de los sensores de prueba a intervalos de 5 ° C, como se indica en el termómetro de referencia PT100 (rango de operación del termómetro de referencia de 40 ° C a 110°C). Cuando el vapor sube constantemente desde la salida de vapor, el agua ha alcanzado el punto de ebullición. Mantenga esta temperatura por varios minutos, observando cualquier cambio adicional en las lecturas del sensor. Asegúrese de que el nivel del agua no descienda por debajo de las dos marcas superiores en el cristal. Apague el calentador, pero deje el agitador en funcionamiento (esto aumentará la velocidad de enfriamiento del agua). Tome lecturas de los sensores a intervalos de 5 ° Ca medida que el agua se enfría, durante el tiempo que lo permita el tiempo disponible |
Resultados Análisis de los termómetros | |
Termómetro de vidrio | Termómetros llenos de liquido El desarrollo de los termómetros de líquido en vidrio junto con su escala se inició durante el Renacimiento en la Era de los Descubrimientos con el auge por la investigación en las ciencias naturales. Actualmente pueden estar divididos en termómetro de inmersión parcial, total y completa. Su operación está basada en la expansión del líquido con el incremento de la temperatura; esto es, el líquido actúa como un transductor, convierte la energía termal en una forma mecánica. Con el incremento de la temperatura, el líquido y el vidrio del termómetro se expanden con diferente coeficiente de expansión, causando que el líquido avance por el tubo capilar. [pic 7] El menisco es usado como el indicador. La forma del menisco es: para el mercurio, la parte superior de la curva, para líquidos orgánicos, la parte inferior. PARTES Y CARACTERISTICAS Materiales que forman al termómetro: Vidrio, líquido termométrico y gas. El líquido termométrico ideal, debería tener las siguientes propiedades físicas y químicas: • Ser líquido en el intervalo nominal del termómetro, • Tener un coeficiente de expansión lineal, • Ser opaco o con color, para su fácil lectura, • No “mojar” por fuerzas adhesivas la superficie del capilar, • Ser químicamente inerte con respecto a otros materiales en el sistema, • Ser químicamente estable, • No ser dañino, para seguridad en manufactura y uso, • Tener un menisco bien definido, para fácil lectura. El gas, además de reducir la destilación, también reduce el índice de separación de la columna de mercurio dada la presión ejercida por el gas. Así, todos los termómetros para altas temperaturas deben ser llenados con un gas inerte seco tal como nitrógeno presurizado para prevenir separación del mercurio a cualquier temperatura indicada en la escala. [pic 8] CALIBRACIÓN La calibración se realiza por el método de comparación contra un termómetro patrón calibrado, en sistemas termales recirculantes con líquido, sales o lecho fluidizado y la medición directa de los puntos fijos secundarios de fusión del hielo o ebullición del agua. Dependiendo de la exactitud que se desea obtener, se utiliza un termómetro de resistencia de platino u otros tipos de termómetros trazables y con baja incertidumbre de calibración.[pic 9] Examen visual Una razón de la inspección visual es detectar columna de mercurio separada o pequeñas bolitas de mercurio a lo largo de la columna capilar, oxidación o fallas en el vidrio que puedan perjudicar las lecturas del termómetro o fisuras en el vidrio. La escala es también examinada, grosor de las líneas, desigualdad en las divisiones, graduaciones borrosas. |
Termómetro de resistencia | La temperatura es una propiedad que describe que tan caliente está un sistema. Es decir, se puede decir que mientras mayor sea la temperatura, la sustancia será más caliente y mientras menor sea la temperatura la sustancia se encontrará fría o menos caliente. Si bien es cierto que estas afirmaciones son tan obvias que parecen innecesarias, se debe tomar en cuenta que lo único que mide la temperatura es el grado de calentamiento. Cabe mencionar que la temperatura no mide, en forma directa, ni el calor, ni la energía térmica de una sustancia; pero podría definir una escala basada en la temperatura y llamarla frialdad; entonces podría tener un número que describiera la frialdad o falta de calentamiento de una sustancia [1] . Para la medición de la temperatura se lo puede realizar con varios métodos, y en todos está implicada la ley cero de la termodinámica; un medidor de temperatura(termómetro) llega al equilibrio térmico con un sistema. Cuando el termómetro alcanza el equilibrio térmico con el sistema que se está midiendo y ha cambiado alguna propiedad del termómetro, esa propiedad es la que se mide. Por ejemplo, el termómetro de resistencia. El termómetro de resistencia es un aparato que aprovecha la propiedad que tienen los objetos, la resistencia-eléctrica, para medir la temperatura. Es decir, la medida con este instrumento depende de las características de resistencia eléctrica en función de la temperatura que son propias de los metales con los que se fabrica el elemento del sensor. Además, tiene la característica de ser los mas simples y exactos, capaces de detectar hasta 0.005°C y por ello estos termómetros se usan como patrones de calibración de otros tipos de termómetros [2]. El funcionamiento de este termómetro es de la siguiente manera: El elemento central del termómetro es un alambre de metal que se enrolla en un soporte aislante, hecho por mica, cerámica o vidrio. Se encierra en un tubo lleno de polvo y envuelto en capas aislantes, sellado a prueba de humedad. La presión en el interior del tubo se mantiene baja, para evitar la formación de óxidos que causan error en las lecturas. El conjunto es pequeño: entre 1-5 mm de diámetro y 10-50 mm de largo. El platino, es el material más empleado para fabricar la resistencia, por ser muy estable en un amplio rango de temperaturas y dar medidas precisas. Para medir los cambios en la resistencia del alambre, hay que incorporarlo a un circuito especial llamado puente de Wheatstone, esto se hace mediante delgados alambres de cobre. Para que el dispositivo funcione hay que suministrarle una pequeña corriente de medición, cuyo valor es cercano a 1 mA y se mide la caída de tensión producida. Conociendo la corriente y el voltaje, se determina la resistencia del sensor con la ley de Ohm y a través de ella la temperatura [3]. |
Termopares | [pic 10] [pic 11] (llamado también Termocupla por traducción del término inglés Thermocouple) Es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y el otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia» (efecto Seebeck).[pic 12] Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Rango de temperaturas Los termopares proveen medidas sobre un rango de temperatura muy amplio, de 200 a 2600 grados Celsius. Esto permite que sea utilizados en distintas circunstancias en distintas industrias. Su vasto rango les permite ser usados en temperaturas altas en donde otros medidores de temperatura no pueden operar. Contacto directo Otra ventaja de los termopares es su capacidad de entrar en conctacto direcot con el material a medir. Puesto que usan lecturas de voltaje, el único requisito para oponer en contacto un termopar con el material medido es asegurarse de que el termopar esté bien aterrizado. Corrosión Puesto que los termopares están construidos en base a dos metales distintos, son vulnerables a la corrosión, la cual puede ser difícil de detectar. Cualquier tipo de corrosión ligera puede provocar lecturas erróneas, por lo tanto, el cuidado y mantenimiento adecuado de los termopares es esencial. Calibración La calibración correcta de los termopares puede ser tediosa y difícil. Es esencial que la calibración de un termopar se haga junto a otro ya calibrado. Durante el baño de calibración, la salida no se reproduce de forma exacta, lo que hace esencial calibrar correctamente. Las ventajas del termopar N:
Las desventajas de N-termopar
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Tabla de resultados (Temperatura en aumento) | |||||
PTF100 REF (°C) | PTF100 IND (Ω) | Termocupla (Uv) | Termistor (Ω) | Termómetro de vidrio (°C) | Bi-metal (°C) |
40° | 108,25 | 805 | 3595 | 34° | 28° |
45° | 118,29 | 1974 | 1135 | 45° | 38° |
50° | 119,4 | 2080 | 1036 | 51° | 42° |
55° | 121,25 | 2293 | 851 | 54° | 48° |
60° | 123,06 | 2581 | 722 | 59° | 52° |
65° | 125,10 | 2724 | 597 | 64° | 58° |
70° | 126,84 | 2911 | 513 | 69,5° | 64° |
75° | 128,61 | 3127 | 432 | 74,5° | 68,5° |
80° | 130,15 | 3295 | 373 | 79° | 74° |
85° | 131,97 | 3519 | 319 | 84° | 80° |
90° | 133,9 | 3725 | 273 | Rango insuficiente | 86° |
93° | 135,16 | 3821 | 252 | 91° |
Tabla de resultados (Temperatura en descenso) | |||||
PTF100 REF (°C) | PTF100 IND (Ω) | Termocupla (Uv) | Termistor (Ω) | Termómetro de vidrio (°C) | Bi-metal (°C) |
93° | 135,16° | 3821 | 252 | Rango insuficiente | 91° |
90° | 134,11° | 3665 | 280 | 89,5° | |
85° | 132,48 | 3459 | 325 | 84,5° | 85° |
80° | 143,53 | 3310 | 378 | 78,5° | 81° |
75° | 130,64 | 3132 | 439 | 74,5° | 76° |
70° | 136,4 | 2917 | 517 | 70,5° | 70,5° |
65° | 131,05 | 2730 | 601 | 66° | 66,5° |
60° | 129,12 | 2592 | 730 | 60,5° | 60,5° |
55° | 125,52 | 2304 | 860 | 56° | 55,5° |
50° | 121,9 | 2085 | 1040 | 51° | 51° |
45° | 119,33 | 1979 | 1143 | 45,4° | 46° |
40° | 108,5 | 813 | 3601 | 41,5° | 40,5° |
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