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4. Termometría: Calibración Termómetros.
4.1 Objetivos
4.1.1 General
Estudiar características de instrumentos utilizados en la medida de la temperatura.
4.1.2 Específicos
Determinar el principio de funcionamiento del termómetro; termómetro de mercurio y termómetro incorporado en un circuito integrado (LM35). Determinar la curva de calibración para un termómetro de circuito integrado (LM35).
4.2 Referentes Conceptuales y Marco Teórico
La cantidad que indica lo caliente o frío que está un objeto con respecto a una norma se llama temperatura. El primer medidor térmico para medir la temperatura, el termómetro, fue inventado por Galileo en el año
- El uso del popular termómetro de mercurio en vidrio se difundió 70 años después. La temperatura de la materia se expresa con un número que corresponde a lo caliente o frío que está algo, según determinada escala.
Casi todos los materiales se dilatan, o expanden, cuando se elevan sus temperaturas, y se contraen cuando éstas bajan. Así, la mayoría de los termómetros miden la temperatura debido a la expansión o contracción de un líquido.
En la escala internacional, la que se usa más comúnmente en la actualidad, se asigna el número 0 a la temperatura de congelación del agua, y el número 100 a su temperatura de ebullición (con una presión atmosférica a nivel del mar). El espacio entre las dos marcas se divide en 100 partes iguales llamadas grados; en consecuencia, un termómetro calibrado como acabamos de describir se llama termómetro centígrado (de centi, “centésimo”; y gradus, “medida”). Sin embargo, ahora se llama termómetro Celsius, en honor al científico que sugirió dicha escala, el astrónomo sueco Anders Celsius.
34 Capítulo 4. Termometría: Calibración Termómetros.
Figura 4.1: Escalas de Temperatura.
En Estados Unidos hay otra escala muy popular. En ella, se asigna el número 32 a la temperatura de congelación del agua, y el número 212 a su temperatura de ebullición. Esa escala la tiene un termómetro Fahrenheit, en honor de su ilustre creador, el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en la figura 4.1 puede observarse la comparación de las dos escalas. Muy posiblemente, la escala Fahrenheit quedará obsoleta cuando Estados Unidos termine de adoptar el sistema métrico. Sin embargo, la ciencia reconoce una escala más, la escala Kelvin, en honor del físico inglés Lord William T. Kelvin. Esta escala no se calibra en función de puntos de congelación ni de ebullición del agua, sino en términos de la energía misma. El número 0 se asigna a la mínima temperatura posible, el cero absoluto, en la cual una sustancia no tiene ninguna energía cinética que ceder. El cero absoluto corresponde a 273 C en la escala Celsius. Las unidades de la escala Kelvin tienen el mismo tamaño que los grados de la escala Celsius, y así la temperatura del hielo que se funde es 273 Kelvin. En la escala Kelvin no hay números negativos.
La medida de la temperatura (al igual que todas las medidas) es basada en la variación de alguna otra propiedad. Los primeros termómetros fueron diseñados aprovechando la propiedad de expansión de un líquido o un gas. En tiempos mas recientes se han usado 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. Algunos tipos de termómetros y sensores de temperatura y sus características se pueden observar en la tabla 4.2.
36 Capítulo 4. Termometría: Calibración Termómetros.
- Investigue las relaciones existentes para la transformación de temperaturas en las diferentes escalas; Celsius, Fahrenhit y Kelvin (escala absoluta).
- Realice la transformación de las siguientes temperaturas de una escala a otra utilizando las relaciones correspondientes: 50C a K 120, 0C a K, 380 K a 0C, 60 F a 0C, 130C a 0 F.
- ¿Cuáles son las temperaturas de congelación del agua en las escalas Celsius y Fahrenhit? ¿Y las del agua hirviente?. (En condiciones normales de presión atmosférica: 1 atm).
- Consulte las temperaturas promedio de: Ebullición del agua, Cuerpo humano, Planeta Tierra, El magma, Fusión del hielo.
4.4 Materiales
Para la práctica de laboratorio se necesitan los siguientes elementos:
- Termómetro de mercurio.
- Termómetro LM35.
- Erlenmeyer o vaso de precipitado.
- Estufa Eléctrica.
- Soporte Universal.
- Nueces y Pinzas.
- Voltímetro
4.5 Procedimiento
Figura 4.2: Medición de la temperatura y voltaje inicial.
- Llene con agua el erlenmeyer como mínimo tres cuartas partes de su capacidad.
- Tome la temperatura inicial del termómetro de mercurio y el voltaje (gradué el multímetro en la escala de 200 mV ) que presenta el LM35 como se muestra en la figura 4.2.
- Ubique el termómetro de mercurio y el integrado LM 35 procurando que queden al mismo nivel como se observa en la figura 4.3.
- Encienda la estufa, a medida que se calienta el agua, registre los datos de temperatura y voltaje cada 5 C hasta llegar a 90 C.
4.6 Análisis Cuantitativo y Cualitativo 37
Figura 4.3: Montaje experimental calibración de un termómetro.
4.6 Análisis Cuantitativo y Cualitativo
De los resultados obtenidos en las secciones anteriores, detalle, explique y justifique sus análisis, respon- diendo las siguientes cuestiones.
- Con los datos obtenidos construya un gráfico Voltaje del LM 35 vs Temperatura del Termómetro.
- ¿Observa un comportamiento lineal entre las variables graficadas?. Si su respuesta es afirmativa, realice un ajuste de regresión lineal usando el método de mínimos cuadrados y encuentre la ecuación de calibración para el termómetro LM35.
- ¿Qué significa la pendiente en la ecuación encontrada para la curva de calibración?.
- ¿Qué significa el punto de corte con el eje vertical en la ecuación encontrada para la curva de calibra- ción?.
- En la figura 4.4 se observa la curva de calibración teórica del sensor LM 35 (proporcionada por el fabricante). Determine su pendiente y calcule un error porcentual respecto a la encontrada en sus resultados experimentales. ¿Qué puede afirmar de las diferencias o concordancias encontradas?.
Figura 4.4: Curva de calibración teórica sensor LM35. Según Fabricante.
