Experimento: termometría

Autor: S. Gil y E. Rodríguez.
Fuente: Física re-creativa.

Para cursos “un poquito” avanzados. El objetivo de este experimento es estudiar las características básicas de algunos termómetros usuales y realizar una calibración de alguno de ellos. También se pretende estudiar la dependencia de la presión con la temperatura para un gas ideal y aprovechar esta propiedad para construir un termómetro de gas.
A menudo la temperatura se define como aquella propiedad que miden los termómetros. También se introduce la temperatura basándose en alguna propiedad termométrica, por ejemplo la expansión de un líquido, un gas, la resistencia de un conductor, la tensión eléctrica generada por un par termoeléctrico (termocupla), etc. En la práctica existen numerosos tipos de sensores de temperatura o termómetros que, según la aplicación especifica, pueden ser los más adecuados.

Primera actividad: Experimento para estudiar la variación de resistencia de un metal con la temperatura.
Una posible disposición experimental para estudiar la variación de la resistencia eléctrica, R, con la temperatura, T, se muestra esquemáticamente en la figura. Consiste en colocar la resistencia en un medio líquido poco o no conductor (por ejemplo aceite de transformador o agua destilada, la idea es que la resistencia a medir sea mucho menor que la resistencia del medio líquido) que puede calentarse usando un calefactor y algún dispositivo para medir la temperatura (un termómetro, termocupla, etc.). El baño líquido sirve para uniformizar la temperatura y dar más inercia térmica al sistema. Un modo simple para medir R consiste en usar directamente un óhmetro.
Hay que estudiar experimentalmente la variación de R con T para uno de los dos elementos siguientes:
Metal puro: Realizar este estudio para algún metal puro, por ejemplo cobre. Para ellos se debe construir un arrollamiento de unos 5 a 10 m de alambre esmaltado de diámetro entre 0.1 y 0.2 mm. Si se lo prefiere se puede usar un RTD (Resistance Temperature Detector), que son resistencias de Pt de valor bien conocido y cuyo coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura está dado por el fabricante. Para rangos no muy grandes de temperatura la variación de R con T es lineal: R(T ) = R0 * (1-a * (T - T0 )). Para este experimento se puede usar un óhmetro para medir la resistencia y un termómetro convencional, bien calibrado, para medir la temperatura. Graficar la resistencia del alambre (o RDT) como función de la temperatura. Obtener el coeficiente de variación de R con la temperatura, a, y comparar su valor con los de tabla.
Termistor: Estos dispositivos semiconductores son muy usados en la práctica para medir temperaturas por su bajo costo y sensibilidad. La propiedad termométrica de los mismos es la resistencia eléctrica. Sin embargo la dependencia con la temperatura no es simple. Es mejor elegir un termistor de no muy alta resistencia, de modo que al sumergirlo en agua su valor no sea afectado por la resistencia del agua. Un termistor de R(T0) < 5 kW puede ser adecuado. Graficar la resistencia del termistor como función de la temperatura y el cociente R(T)/R0 versus 1/T en escala semilogarítmica. Finalmente, obtener el coeficiente de variación de R con la temperatura, b, e indicar si la expresión (2) da cuenta adecuadamente de los resultados experimentales.

Segunda actividad: Calibración de un termómetro de gas.
Para este experimento, se hace uso de un recipiente de un 1/4 litro aproximadamente, estanco y conectado a través de un tubo flexible a un sensor de presión. La señal de presión puede leerse con un multímetro o conectando el sensor a un sistema de adquisición de datos por computadora. Se requiere además un baño térmico, por ejemplo un recipiente con agua que lo cubra totalmente, de modo que cuando el recipiente de gas llegue al equilibrio, su temperatura sea la del agua.
El recipiente de gas es deseable que sea de un metal de buena conductividad térmica, de modo de lograr condiciones de equilibrio rápidamente. En el seno del gas se coloca un termistor para medir la temperatura del gas. Para evitar la excesiva presencia de vapor en el gas, es conveniente calentar el tubo de gas para que se vaya la humedad.
Usando un termómetro convencional calibrado en el agua, realizar una calibración del termistor en el seno del gas. Obtener una expresión que permita calcular T conociendo R.
Graficar la presión en el tubo versus la temperatura del gas. ¿Sigue su gas la ecuación de estado de los gases ideales?

Tercera actividad: Calibración de un termómetro basado en una termocupla.
Una termocupla básicamente es un transductor de temperaturas, es decir un dispositivo que convierte una magnitud física en una señal eléctrica. Está constituida por dos alambres metálicos diferentes que, unidos, desarrollan una diferencia de potencial eléctrica entre sus extremos libres que es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre estas puntas y la unión. Se suelen fabricar con metales puros o aleaciones (caso más común) y la característica más notable es que son empleadas para medir temperaturas en un rango notablemente grande comparadas con otros termómetros. Valores típicos del rango están entre 70 K y 1700 K, pudiéndose llegar en algunas circunstancias con aleaciones especiales hasta los 2000 K.
Una termocupla, en rigor, mide diferencias de temperaturas y no temperaturas absolutas. Esto hace necesario el uso de una temperatura de referencia, por lo que suele emplearse un baño de agua con hielo (0 grados). El empleo de termocuplas para medir temperaturas está fundamentado en el efecto Seebeck, que a su vez es una combinación de dos efectos: el Thompson y el Peltier.
Graficar la tensión generada por el par como función de la temperatura.
Obtener el coeficiente de variación de la tensión con la temperatura y compare los valores de tablas.
Para calibraciones más precisas se usan puntos fijos de temperaturas definidos por los puntos de fusión de metales de alta pureza. El punto T=273.15 K se obtiene en una celda de punto triple del agua. La elección del tipo de termocupla a usar en una dada aplicación depende tanto del medio en el que se va a usar (no debe atacar a la termocupla, ni ésta contaminar el medio) como del rango de temperaturas.

Cuarta actividad: Termómetro de diodo.
Un diodo es un componente electrónico muy usual y económico. La característica básica de un diodo es que deja pasar corriente eléctrica en una sola dirección solamente. Cuando por un diodo pasa una corriente I, la diferencia de potencial entre sus bornes viene dada por una fórmula conocida (que está en el documento para descargar).
Un modo de lograr esto (I = constante) es usar una fuente de corriente o simplemente colocar una resistencia en serie varios órdenes mayor que la resistencia del diodo.
Graficar la tensión V como función de la temperatura para al menos dos valores de la corriente que pasa por el diodo.

Quinta actividad: Termómetro basado en un circuito integrado.
Varios fabricantes han producido circuitos integrados que son muy adecuados para medir temperaturas. En particular estos circuitos son muy adecuados para medir temperaturas cuando se usa un sistema de toma de datos conectado en una computadora. Estos circuitos, por lo general tienen tres patas: tierra, alimentación (Vc entre 5 a 15V) y una salida. Estos circuitos producen una señal muy lineal y calibrada. Por lo general producen ente 1 y 10 mV/K. Existen integrados con calibraciones para diversos sistemas de unidades. El rango usual de estos termómetro esta típicamente entre los -10ºC y 120ºC.
Graficar la tensión V de uno de estos termómetros integrados como función de la temperatura. Se puede usar por ejemplo el LM35, AD590 o el que se encuentre disponible en el mercado local.
Usando dos recipientes de agua (uno frío y otro caliente) estudiar la constante de tiempo del integrado.

Contiene cálculos y fórmulas demostrativas.

Para descargar este experimento hacer clic aquí: http://www.mediafire.com/?u73ul6bk3q0y3it