UNIVERSID

UNIVERSIDAD NACIONALPEDRO RUIZ GALLOFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICALABORATORIO DE ENERGIA Y MAQUINAS TERMICAS O ELECTRICIDAD

CURSOLABORATORIO INGENIERIA MECANICA I

CATEDRTICOING.JULCA OROZCO TEOBALDO

PRACTICA DE LABORATORIO N 1MEDICION DE LA TEMPERATURA Y CALIBRACION DE TERMOMETROS

DATOS PERSONALESTULLUME PEJERREY WILFREDO ALEJANDRO110489-E2014-I

FECHA13/10/2014

NOTA

LABORATORIO N 1MEDICION DE TEMPERATURAS Y CALIBRACIONDE TERMOMETROSI. OBJETIVO

Aprender a calibrar termmetros de columna de Hg. Conocer la variacin de los valores tomados con un termmetro de columna de mercurio. Observar los errores cometidos por cada termmetro. Conocer el valor ms aproximado en las mediciones.

II. FUNDAMENTO TEORICO

Latemperaturaes unamagnitudreferida a las nociones comunes decaliente, tibio ofroque puede ser medida con untermmetro. En fsica, se define como unamagnitud escalarrelacionada con laenerga internade un sistema termodinmico, definida por elprincipio cero de la termodinmica.

La temperatura de un cuerpo indica en qu direccin se desplazar el calor al poner en contacto dos cuerpos que se encuentran a temperaturas distintas, ya que ste pasa siempre del cuerpo cuya temperatura es superior al que tiene la temperatura ms baja; el proceso contina hasta que las temperaturas de ambos se igualan.

El mtodo de calibracin de los termmetros es hacer una comparacin con un sistema de referencia y el sistema que se desea utiliza, para saber la precisin y exactitud con la que se dispone a trabajar. Esta medicin sirve para saber cuan desviados estn los equipos que se utilizan, as como para tener un mejor control de las variables del experimento.

ESCALAS TERMOMETRICAS:

Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medicin, no tienen un nivel mximo, sino un nivel mnimo: elcero absoluto.Las escalas de temperatura ms comnmente usadas son dos: Celsius y Fahrenheit.

Con fines de aplicaciones fsicas o en la experimentacin, es posible hacer uso de una tercera escala llamada Kelvin o absoluta. La escala Celsius es la ms difundida en el mundo y se la emplea para mediciones de rutina, en superficie y en altura.La escala Fahrenheit se usa en algunos pases con el mismo fin, pero para temperaturas relativamente bajas contina siendo de valores positivos.

Tradicionalmente, se eligieron como temperaturas de referencia, para ambas escalas los puntos de fusin del hielo puro (como 0 C 32 F) y de ebullicin del agua pura, a nivel del mar (como 100 C o 212 F). Como puede verse, la diferencia entre estos dos valores extremos es de 100C y 180 F, respectivamente en las dos escalas.

EL TERMMETRO:

Un termmetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Una forma fcil de hacerlo es encontrando una sustancia que tenga una propiedad que cambie de manera regular con la temperatura como el mercurio (Hg) dentro de un termmetro de vidrio: al calentarse, se expande y viceversa, al enfriarse se contrae, lo que se visualiza contra una escala graduada.La variacin de temperatura afecta al volumen del lquido, de manera que el mismo se desplaza por el depsito, que est graduado. Si aumenta la temperatura, el lquido se dilata; y si la temperatura disminuye, el lquido se contrae. La graduacin del depsito que contiene el mercurio o el alcohol nos permite saber, en todo momento, la temperatura del medio en el que est situado el termmetro, el cual debe estar protegido de la accin directa de los rayos del sol.La temperatura puede medirse en diferentes escalas: la escala Celsius (grados centgrados), pero en otros pases tambin se utiliza la escala Fahrenheit.La invencin del termmetro se atribuye aGalileo, aunque el termmetro sellado no apareci hasta 1650. Los modernos termmetros de alcohol y mercurio fueron inventados por el fsico alemnDaniel Gabriel Fahrenheit, quin tambin propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada, que lleva su nombre. En laescala Fahrenheit, el punto de congelacin de agua corresponde a 32f y su punto de ebullicin a presin normal es de 212f .Desde entonces se han propuesto diferentes escalas de temperatura; en la escala Celsius, diseada por el astrnomo sueco Anders Celsius y utilizada en la mayora de los pases, el punto de congelacin del agua es 0 grados y el punto de ebullicin es de 100.

TIPOS DE TERMMETROS

Termmetros de lquido: Lostermmetros de lquidoencerrado en vidrio son, ciertamente, los ms familiares: el de mercurio se emplea mucho para tomar la temperatura de las personas, y, para medir la de interiores, suelen emplearse los de alcohol coloreado en tubo de vidrio.

Termmetro de mercurioLostermmetros de mercuriopueden funcionar en la gama que va de -39 C (punto de congelacin del mercurio) a 357 C (su punto de ebullicin), con la ventaja de ser porttiles y permitir una lectura directa. No son, desde luego, muy precisos para fines cientficos.Es un tipo determmetroque generalmente se utiliza para medir las temperaturas del ambiente o entorno exterior. El mercuriode este tipo de termmetro se encuentra en un bulbo reflejante y generalmente de color blanco brillante, con lo que se evita la absorcin de la radiacin del ambiente. Es decir, este termmetro toma la temperatura real del aire sin que la medicin de sta se vea afectada por cualquier objeto del entorno que irradie calor. Alrededor del ao 1714 fueDaniel Gabriel Fahrenheitquin cre el termmetro de mercurio con bulbo, formado por un capilar de vidrio de dimetro uniforme comunicado por su extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto est sellado, y cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el capilar.

Termmetro de alcoholEltermmetro de alcoholcoloreado es tambin porttil, pero todava menos preciso; sin embargo, presta servicios cuando ms que nada importa su cmodo empleo. Tiene la ventaja de registrar temperaturas desde -112 C (punto de congelacin del etanol, el alcohol empleado en l) hasta 78 C (su punto de ebullicin), cubriendo por lo tanto toda la gama de temperaturas que hallamos normalmente en nuestro entorno.Termmetros de gas: Eltermmetro de gasde volumen constante es muy exacto, y tiene un margen de aplicacin extraordinario: desde -27 C hasta 1477 C. Pero es ms complicado, por lo que se utiliza ms bien como un instrumento normativo para la graduacin de otros termmetros.El termmetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con gas -helio, hidrgeno o nitrgeno, segn la gama de temperaturas deseada- y un manmetro medidor de la presin. Se pone la ampolla del gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de mercurio (manmetro) que est en conexin con la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la presin del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.

Termmetros de resistencia de platino: Eltermmetro de resistencia de platinodepende de la variacin de la resistencia a la temperatura de una espiral de alambre de platino. Es el termmetro ms preciso dentro de la gama de -259 C a 631 C, y se puede emplear para medir temperaturas hasta de 1127 C. Pero reacciona despacio a los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad trmica y baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir temperaturas fijas.

Termmetro digital: Con excelente precisin, eltermmetro digitaltiene construcciones robustas y son inmunes a las vibraciones, a la humedad y a las interferencias. Se emplean display luminoso que permite la lectura inclusive en la oscuridad. Poseen una resolucin de 1C, es decir que cambian la indicacin de grado en grado. Sin embargo, a pedido se pueden suministrar con una resolucin de 0,1C.

Termmetros especiales: Los termmetros tambin se pueden disear para registrar las temperaturas mximas o mnimas alcanzadas. Por ejemplo, untermmetro clnicode mercurio es un instrumento de medida de mx. , en el que un dispositivo entre la ampolla y el capilar de vidrio permite que el mercurio se expanda al subir la temperatura pero impide que refluya a no ser que se agite con fuerza. Las temperaturas mximas alcanzadas durante el funcionamiento de herramientas y mquinas tambin se pueden estimar mediante pinturas especiales que cambian de color cuando se alcanza una temperatura determinada.

Funcionamiento del termmetroEn fsica se utilizan varios tipos de termmetros, segn el margen de temperaturas a estudiar o la precisin exigida. Como ya hemos sealado, todos se basan en unapropiedad termomtricade alguna sustancia: que cambie continuamente con la temperatura (como la longitud de una columna de lquido o la presin de un volumen constante de gas). Hay varios tipos de dispositivos que se utilizan como termmetros. El requisito fundamental es que empleen una propiedad fcil de medir que cambie de forma marcada y predecible al variar la temperatura. Adems, el cambio de esta propiedad termomtrica debe ser lo ms lineal posible con respecto a la variacin de temperatura. En otras palabra, un cambio de dos grados en la temperatura debe provocar una variacin en la propiedad termomtrica dos veces mayor que un cambio de un grado, un cambio de tres grados una variacin tres veces mayor , y as sucesivamente .Para medir temperaturas entre -50y 150C se utiliza diferentes termistores fabricados con xido de nquel manganeso o cobalto. Para temperaturas ms altas se emplean termistores fabricados con otros metales o aliatores, por ejemplo, el platino se puede emplear hasta los 900C aprox. Usando circuitos electrnicos adecuados, la lectura del galvanmetro se puede convertir directamente en una indicacin digitales de la temperatura. Es posible efectuar mediciones de temperaturas muy precisas empleando termopares, en los que se generan una pequea tensin al colocar a temperaturas distintas en la unin de un bucle formando por dos alambres de distintos metales. Para incrementar la tensin se puede conectar en serie varios termopares para formar una termo pila. Como la tensin depende de la diferencia de temperatura en ambas uniones una de ellas debe mantenerse a una temperatura conocida , en caso contrario hay que introducir en el dispositivo circuito electrnico de compensacin para hallar la t del censor.

TERMOCUPLA

Es un sensor formado por la unin de dosmetalesdistintos que produce unvoltaje(efecto Seebeck), que es funcin de la diferencia detemperaturaentre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unin caliente o de medida y el otro denominado "punto fro" o unin fra o de referencia.EnInstrumentacin industrial, los termopares son ampliamente usados comosensoresde temperatura. Son econmicos, intercambiables, tienen conectores estndar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitacin es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a ungrado Celsiusson difciles de obtener.El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre determopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones decalefaccinagas.

Tipos de termocuplas:

Tipo K(Cromo(Ni-Cr) Chromel /Aluminio(aleacin deNi-Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, est disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 C a +1.372 C y una sensibilidad 41V/ C aprox. Posee buena resistencia a la oxidacin.

Tipo E(Cromo /Constantn(aleacin deCu-Ni)): No son magnticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el mbito criognico. Tienen una sensibilidad de 68 V/ C.

Tipo J(Hierro/ Constantn): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares ms modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 C ya que una abrupta transformacin magntica causa un desajuste permanente. Tienen un rango de -40 C a +750 C y una sensibilidad de ~52 V/ C. Es afectado por lacorrosin.

Tipo T(Cobre/Constantn): ideales para mediciones entre -200 y 260C. Resisten atmsferas hmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopares de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 V/C.

Tipo N(Nicrosil(Ni-Cr-Si/Nisil(Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidacin de altas temperaturas, y no necesita delplatinoutilizado en los tipos B, R y S que son ms caros.

Tipo B(Platino(Pt)-Rodio(Rh)): son adecuados para la medicin de altas temperaturas superiores a 1.800 C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 C y 42 C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando as su uso a temperaturas por encima de 50 C.

Tipo R(Platino(Pt)-Rodio(Rh)): adecuados para la medicin de temperaturas de hasta 1.300 C. Su baja sensibilidad (10 V/ C) y su elevado precio quitan su atractivo.

Tipo S(Platino/Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 C, pero su baja sensibilidad (10 V/ C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibracin universal delpunto de fusindeloro(1064,43 C).

Precisin y Exactitud:

Precisin:La precisin es la tolerancia de medida o de transmisin del instrumento y define los lmites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio

Exactitud:Se denomina exactitud a la capacidad de un instrumento de acercarse al valor de la magnitud real.La exactitud depende de los errores sistemticos que intervienen en la medicin, denotando la proximidad de una medida al verdadero valor y, en consecuencia, la validez de la medida.

Tipos de Errores:

Error de medicin o error absoluto (EA):El error de medicin se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. Afectan a cualquier instrumento de medicin y pueden deberse a distintas causas.Se determina de la siguiente manera:Donde: : Error absoluto.: Valor terico.: Valor patrn.

Error Relativo (ER):Es el cociente entre el error absoluto y el valor exacto. Si se multiplica por 100 se obtiene el tanto por ciento (%) de error. Al igual que el error absoluto puede ser positivo o negativo (segn lo sea el error absoluto) porque puede ser por exceso o por defecto. No tiene unidades. El error relativo porcentual est dado por: = Donde:: Error absoluto.: Valor terico.: Valor patrn.

Error de aproximacin:Es una medida del error cometido al aproximar una magnitud numrica por una expresin aproximada ms sencilla que la expresin original exacta. Error experimental: La inexactitud cometida por culpa de no poder controlar adecuadamente la influencia de todas las variables presentes en un experimento.

III. ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y MATERIALES

InstrumentosTermocupla Digital: Solo una por cada grupo de trabajo.Tipo: KRango: -50C a 300C

Termmetro de mercurio: En total se usaron 3 por cada grupo de trabajoT1: Intervalo de uso -10C hasta 110C Modelo Boeco Germany T2: Intervalo de uso -10C hasta 150C Modelo Grardina Italy T3: Intervalo de uso 0C hasta 360C

Equipos Calentador Elctrico: Usamos uno por cada grupo de trabajo.

Materiales Fluido: Agua, aproximadamente 0.5 litros. Recipiente: para el fluido del trabajo.

IV. DATOS EXPERIMENTALES

Lugar de Ensayo: Laboratorio de Ingeniera Mecnica de la Facultad de Ingeniera Mecnica Elctrica de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo.

Temperatura ambiente: Aproximadamente 26 C.

Presin: 1 atm aproximadamente.

Hora y Fecha: 1:20 pm del da jueves 17 de julio de 2014.

Unidades de trabajo: Temperatura (C). Tiempo (Segundos).

Cuadro de temperatura:

PUNTOSTEMPERATURASTERMOCUPLA (C)

T1 (C)T2 (C)T3 (C)

131343030

236363535

341414040

446454545

548505050

65555.55555

760616060

865666565

970707070

1076767575

V. PROCEDIEMIENTO

Teniendo los instrumentos necesarios para el experimento a disposicin se proceder a realizar el siguiente procedimiento:

1) Ubicamos el calentador elctrico en un espacio libre de obstculos estticamente equilibrada, donde no pueda sufrir cambios de posicin natural.

2) Una vez instalada el calentador elctrico adherimos a l un recipiente a medio llenar del fluido a utilizar (0.5 litro de agua en nuestro caso).

3) Procedimos a insertamos la termocupla dentro del fluido que nos servir como patrn para la calibracin de los dems termmetros, los cuales tambin fueron introducidos en el fluido (aceite) teniendo en cuenta que esta no debe de chocar en las paredes del recipiente.

4) Encendido el calentador de elctrico empezamos las mediciones correspondientes con una temperatura inicial de 30 grados Celsius.

5) Anotamos las medidas de los termmetros en cada intervalo de temperatura propuesta por el docente (en nuestro caso cada 5 C) obteniendo 10 medidas distintas en una tabla, la cual ser nuestra base de dato para posteriores usos de anlisis.

6) Obtenida la base datos procedemos a realizar el anlisis de calibracin determinando los errores y las curvas caractersticas.

VI. CALCULOS Y RESULTADOS

a) Varianza:

b) Desviacin estndar:

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

c) Laboratorio de Ingeniera Mecnica IPgina 2

d) Error absoluto:

e) Error relativo:

TEMPERATURA 1

PUNTOSTEMPERATURASTERMOCUPLA (C)ERRORESDESVIACION ESTANDAR (S)VARIANZA (S2)

T1 (C)E.A (C)E.R (%)

1313013,330,71

2363512,860,71

3414012,500,71

4464512,220,71

54850-2-41,42

655550000

760600000

865650000

970700000

10767511,330,71

TEMPERATURA 2

PUNTOSTEMPERATURASTERMOCUPLA (C)ERRORESDESVIACION ESTANDAR (S)VARIANZA (S2)

T2 (C)E.A (C)E.R (%)

13430413,332,838

2363512,860,710,50

3414012,500,710,50

445450000

550500000

655,5550,50,910,350,13

7616011,670,710,50

8666511,540,710,50

970700000

10767511,330,710,50

TEMPERATURA 3

PUNTOSTEMPERATURASTERMOCUPLA (C)ERRORESDESVIACION ESTANDAR (S)VARIANZA (S2)

T3 (C)E.A (C)E.R (%)

130300000

235350000

340400000

445450000

550500000

655550000

760600000

865650000

970700000

1075750000

VII. GRAFICOS (AJUSTE DE CURVAS)

a) Curva caracterstica de calibracin y ajusteT1 vs T

PUNTOSTEMPERATURASTERMOCUPLA (C)T*T1T12T2

T1 (C)

13130930961900

23635126012961225

34140164016811600

44645207021162025

54850240023042500

65555302530253025

76060360036003600

86565422542254225

97070490049004900

107675570057765625

NSY =T1SX =TSXY =T*T1SYY =T12SXX =T2

10528525297502988429625

RECTA DE AJUSTE POR EL METODO DE LOS MINIMOS CUADRADOS

Y= mX+b

m=( N*SXY-SX*SY)/(N*SXX-SX*SX)b=(SXX*SY-SX*SXY )/(N*SXX-SX*SX)

m =0,984242b=1,127273

Y = 0.984242X + 1.127273

X (T1)Y

3131,6388

3636,5600

4141,4812

4646,4024

4848,3709

5555,2606

6060,1818

6565,1030

7070,0242

7675,9297

T2 vs T

PUNTOSTEMPERATURASTERMOCUPLA (C)T*T2T22T2

T2 (C)

1343010201156900

23635126012961225

34140164016811600

44545202520252025

55050250025002500

655,5553052,53080,253025

76160366037213600

86665429043564225

97070490049004900

107675570057765625

NSY =T2SX =TSXY =T*T2SYY =T22SXX =T2

10534,552530047,530491,2529625

RECTA DE AJUSTE POR EL METODO DE LOSMINIMOS CUADRADOS

Y= mX+b

m=( N*SXY-SX*SY)/(N*SXX-SX*SX)b=(SXX*SY-SX*SXY )/(N*SXX-SX*SX)

m =0,963030b=2,890909

Y=0,963030X+2,890909

X (T2)Y

3435,6339

3637,5600

4142,3752

4546,2273

5051,0424

55,556,3391

6161,6358

6666,4509

7070,3030

7676,0812

T3 vs T

PUNTOSTEMPERATURASTERMOCUPLA (C)T*T3T32T2

T3 (C)

13030900900900

23535122512251225

34040160016001600

44545202520252025

55050250025002500

65555302530253025

76060360036003600

86565422542254225

97070490049004900

107575562556255625

NSY =T2SX =TSXY =T*T2SYY =T22SXX =T2

10525525296252962529625

RECTA DE AJUSTE POR EL METODO DE LOSMINIMOS CUADRADOS

Y= mX+b

m=( N*SXY-SX*SY)/(N*SXX-SX*SX)b=(SXX*SY-SX*SXY )/(N*SXX-SX*SX)

m =1b =0

Y=X

X (T3)Y

3030

3535

4040

4545

5050

5555

6060

6565

7070

7575

b) Curva de Error y Curva de Correccin

Para T1:

Curva de Error

Curva de Correccin

Para T2:

Curva de Error

Curva de Correccin

Para T3:

Curva de error

Curva de correccin

VIII. OBSERVACIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

a) Observaciones: Con distintos fluidos, las variaciones de temperaturas sern distintas, comprobando que cada fluido se comporta diferente ante un aumento de temperatura.

Para evitar errores de paralaje los termmetros deben estar en posicin vertical al momento de visualizar la medida, y de tal forma minimizar el error de lectura.

Los termmetros de mercurio son muy eficientes para una medicin rpida de temperatura, pero se pueden descalibrar con facilidad, aparte que son muy delicados.

b) Conclusiones: Concluimos que la calibracin de los termmetros resulto exitosa con un margen de error de 1 como podemos observar en los grficos.

Comprendemos la importancia de tener patrones de medida en nuestros laboratorios para poder calibrar nuestros instrumentos, porque entendemos que cada instrumento tiene un margen de error, por eso es necesario el calibrar con un instrumento patrn.

c) Recomendaciones: Evitar el contacto directo de los termmetros con las paredes del recipiente puesto que en estas partes el calor es mucho mayor que el del lquido.

Tener cuidado con la Termocupla, no acercar mucho al calentador elctrico puesto que este con el calor que genera puede hacer que la Termocupla nos de otro valor.

BIBLIOGRAFIA

Fsica para la ciencia y la tecnologa - Volumen 1 - Pgina 498 Paul Allen Tipler, Gene Mosca- 2005 Instrumentos industriales, su ajuste y calibracin - Pgina 111 Antonio Creus Sol 2008 TermoI: un estudio de los sistemas termodinmicos Manuel Zamora Carranza 1998 J.P. HOLMAN: Mtodos Experimentales para Ingenieros.LINKOGRAFIA http://laboratorios.fi.uba.ar/lscm/termometros.

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo.

http://www.isotech-china.com/pdfs/tempcal.

http://www.slideshare.net/YisethRamos/instrumentos-para-medir-la-temperatura.

http://www.ing.unlp.edu.ar/cys/DI/termocuplas.

ANEXOS

Calentador elctrico Termmetro

Termocupla