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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL CENTRO DE TECNOLOGIA – CTEC CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA 1 19212428 - Carlos Eduardo Nunes de Oliveira 19210769 - Norrane Ferreira Gabriel Docente: Maritza Montoya Urbina Monitor: Jhonata Henrique de Oliveira Silva Medição de temperatura Maceió - AL 15 de Fevereiro de 2023 Carlos Eduardo Nunes de Oliveira Norrane Ferreira Gabriel Medição de temperatura Este relatório faz parte do sistema de avaliação da disciplina: Laboratório de Engenharia Química 1, do curso de Engenharia Química, pelo centro de tecnologia da Universidade Federal de Alagoas, sob orientação da professora Maritza Montoya Urbina. Maceió - AL 15 de Fevereiro de 2023 Resumo A temperatura é a grandeza física mais importante medida na indústria, assim como nos laboratórios, sendo uma variável que é necessária ser medida e analisada, ela é um fator crítico nos processos industriais pois poderá trazer tanto efeitos positivos como negativos se não for medida com precisão. Com isso, saber utilizar e mensurar a temperatura usando diversos instrumentos diferentes pode trazer não somente confiabilidade e precisão, mas análises estatísticas dos valores aferidos. Neste estudo sobre a prática de Laboratório de Engenharia Química 1, serão abordados os conhecimentos de medição de temperatura utilizando alguns dos vários instrumentos de medição, bem como o princípio de funcionamento de cada um. Com a coleta de 7 medições de aquecimento e resfriamento em tempos diferentes, foi possível encontrar o erro, variações na temperatura, a curva de calibração, taxa de aquecimento e resfriamento, elecado a visualização mais clara com gráficos e tabelas. Palavras-chave: Temperatura; Medição; Aquecimento; Resfriamento; Instrumentos; Termômetros. Sumário Introdução 5 Objetivos 9 Procedimento experimental 10 Equipamentos 10 Metodologia 10 Fluxograma 11 Resultados e discussões 12 Conclusão 22 Referências 23 Anexos 24 5 1. Introdução A medição da temperatura é de interesse da ciência há muitos anos. O corpo humano é um péssimo “termômetro”, pois é um instrumento diferencial que só consegue distinguir entre “mais frio” e “mais quente” em relação à sua própria temperatura), com o passar dos anos, o homem começou a criar aparelhos que o auxiliassem nesta tarefa. O conceito de temperatura veio então do desejo de quantificar as sensações de quente e frio. As primeiras referências a uma escala de temperatura vêm do grego Galen (130 – 200 DC) que identificou oito níveis de “temperamentum” que ele usava para avaliar o temperamento ou estado de saúde de seus pacientes. Ele também definiu a chamada temperatura neutra que resultava da mistura em partes iguais de água fervente e gelo, ele utilizava as mãos para avaliar a temperatura já que ainda não havia algum instrumento. No final do século XVI surgiram os primeiros instrumentos para a medição de grau de calor, chamados de termoscópios, idealizado por Galileu Galilei (1564-1642). Consistia em um longo tubo de vidro com um bulbo preenchido com vinho. Este foi o primeiro tipo de aparelho utilizado para a medição de temperatura. Com a criação das diversas escalas, houve a necessidade da definição das curvas dos vários sensores e de seus pontos de calibração, após anos o termo ficou conhecido como ITS-90 (International Temperature Scale). As escalas mais utilizadas nos dias de hoje são Celsius e Fahrenheit. Kevin e Rankine e são usadas por cientistas e engenheiros nos processos industriais. Com a evolução da medição de temperatura, os Transmissores de Temperatura são muito importantes na área de automação e controle de processos. Diversos instrumentos de medição são de grande importância para as indústrias pois com eles é possível assegurar a temperatura correta de um processo de fabricação, garantindo que alcançará o valor adequado para gerar melhores resultados. “Toda a medição de temperatura é indireta, baseada na alteração de alguma propriedade física de um material (comprimento, volume, resistência elétrica, etc).” (PASETTI, s.d., p. 1). Alguns dos instrumentos mais utilizados são: termopares, termorresistores, radiadores infravermelhos, dispositivos bimetálicos. Os termopares são os sensores de temperatura preferidos nas aplicações industriais, seja pela sua robustez ou seja pela simplicidade de operação. O termopar é um transdutor que compreende dois 6 pedaços de fios dissimilares, unidos em uma das extremidades. Se colocarmos dois metais diferentes em contato elétrico, elétrico, haverá uma diferença de potencial entre eles em função da temperatura. Esse efeito é conhecido como efeito termoelétrico ou efeito Seebeck. Figura 1 - Circuito para medir o potencial de Seebeck compreendendo dois fios diferentes. Fonte: Cerâmica Industrial (2022). Os dispositivos termorresistores beneficiam-se com fato de que a resistência elétrica de um material muda de acordo com as mudanças de temperatura. Seu princípio de medição se baseia na variação da resistência em função da temperatura. Os termorresistores são formados por um fio (platina, níquel, cobre, balco) disposto sobre um suporte isolante de vidro ou cerâmica e encapsulado com os mesmos materiais. Em processos industriais, os sensores Pt100 são frequentemente os mais utilizados e é mundialmente o tipo mais comum de termorresistência. Tem grande importância pois possui maior precisão do que outros tipos medidores. https://br.omega.com/section/pocos-termometricos-conjuntos-cabecote-poco.html 7 Figura 2 – Termorresistor PT-100. Fonte: Autores (2023). Os termômetros digitais infravermelhos são sensores capazes de aferir a temperatura de corpos ou superfícies através da radiação emitida por eles e a medição da temperatura é feita de modo que o sensor não precisa tocar a superfície. Tem bastante importância pois em questão de segundos ele determinará a temperatura sem nem sequer tocar a superfície. O medidor de Umidade por infravermelho, por exemplo, pode ser usado nos ambientes de fabricação mais adversos. Figura 3 – Termômetro Digital Infravermelho. Fonte: Autores (2023). 8 O termômetro bimetálico funciona quando uma lâmina de metal é aquecida, a dilatação provocará o aumento do seu comprimento. Ligando-se duas lâminas com diferentes coeficientes de dilatação, o conjunto sofrerá uma deformação. O movimento provocado pela dilatação desigual é transmitido a um ponteiro que se desloca sobre uma escala. Os elementos bimetálicos também são muito aplicados na construção de termostatos, dispositivos que ligam ou desligam um circuito elétrico em função da temperatura. A sua aplicação pode ser, por exemplo, no controle de temperatura de painéis (ventilação, aquecimento, sinalização) e na proteção de motores. Figura 4 – Termômetro Bimetálico Fonte: Instituto Federal Catarinense (2023). 9 2. Objetivos Conhecer os instrumentos de medição de temperatura e suas características. 10 3. Procedimento experimental 3.1. Equipamentos - Termômetro de álcool; - Termômetro de mercúrio; - Termopar; - Banho térmico; - Termômetro digital. 3.2. Metodologia Antes do início do experimento, a turma foi dividida em 4 grupos e com isso se deu prosseguimento ao experimento, ondeem um banho térmico, os equipamentos foram posicionados de acordo com a figura 5. Sendo cada grupo responsável por sua própria leitura de temperatura foi observado e anotado 5 pontos de aquecimento e resfriamento, em que se iniciou com o aquecimento, cujo intervalo de tempo foi de 3 minutos para cada grupo que só foi correspondente ao ponto 1, no ponto 2 o tempo passou para 2 minutos e correspondeu até o ponto 3, no ponto 4 passou para 1 minuto e se prosseguiu até o ponto 5. Já no resfriamento todos os pontos foram com 1 minuto de diferença para cada grupo. Figura 5 – Equipamentos Fonte: Autores (2023). 11 4. Fluxograma Fonte: Autores (2023). 12 5. Resultados e discussões Feita a observação e a anotação de todos os pontos de aquecimento e resfriamento correspondente ao grupo 3, foi possivel elencar todos os dados nas tabelas 1 e 2. Tabela 1 – Dados obtidos experimentalmente no aquecimento. Aquecimento Medida Temp. Banho (°C) Tempo (min) Term. Hg(°C) Term. álcool (°C) Term. Digital (°C) Termopar (°C) 1 29 0 29,8 33 30,3 33 2 40,8 6 45 48 45 48 3 60,2 15 65 67 63,4 67 4 74,3 23 78 80 78,7 80 5 80 27 84 85 84,2 85 6 84,6 31 89 90 88,4 89 7 86,5 32 90 91 88,9 90 Fonte: Autores (2023). 13 Tabela 2 – Dados obtidos experimentalmente no resfriamento. Resfriamento Medida Temp. Banho (°C) Tempo (min) Term. Hg(°C) Term. álcool (°C) Term. Digital (°C) Termopar (°C) 1 86,7 0 86,5 90 88 88 2 84 2 83 85 84 85 3 77 6 75 77 76,3 77 4 70,9 10 69 70 68,1 71 5 65,7 14 64 65 62,5 65 6 61,2 18 59 60 58,2 61 7 60,1 19 58 59 57,1 60 Fonte: Autores (2023). Com as tabelas 1 e 2 em mãos, é possível notar mais dois pontos que foram o 1 e 7 que representam respectivamente os tempos iniciais e finais do experimento. Portando, com os dados obtidos é possível plotar gráficos de aquecimento e resfriamento, tomando como base o valor do banho sendo considerado o valor de referência. Portando, a curva de calibração para o aquecimento e resfriamento é dada através das figuras 6 e 7. 14 Figura 6 – Curva de calibração de aquecimento. Fonte: Autores (2023). Figura 7 – Curva de calibração de resfriamento. Fonte: Autores (2023). y = -0.0261x2 + 2.6423x + 33.059 R² = 0.9999 y = -0.0249x2 + 2.6544x + 30.064 R² = 0.9993 y = -0.0288x2 + 2.7051x + 32.925 R² = 1 y = -0.0175x2 + 2.3756x + 28.334 R² = 0.9992 y = -0.0175x2 + 2.3756x + 28.334 R² = 0.9992 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0 5 10 15 20 25 30 35 Te m p er at u ra (° C ) Tempo (min) Term. Álcool Term. Digital Termopar Term. Hg Banho y = 0.02x2 - 1.7995x + 87.049 R² = 0.9994 y = 0.0281x2 - 2.0355x + 86.605 R² = 0.9994 y = 0.0384x2 - 2.3402x + 89.759 R² = 0.9995 y = 0.0363x2 - 2.3366x + 88.339 R² = 0.999 y = 0.029x2 - 2.0504x + 88.408 R² = 0.999 55 60 65 70 75 80 85 90 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Te m p er at u ra (° C ) Tempo (min) Banho Term. Hg Term. Álcool Term. Digital Termopar 15 Para cada medidor de temperatura foi plotado uma curva polinomial, pois era a mais adequada devido ao comportamento das variáveis e com isso dará uma maior exatidão para cada equipamento. Os perfis matemáticos expostos nas tabelas 1 e 2 retratam o comportamento de cada medidor de temperatura perante ao valor de referência considerado como verdadeiro, promovendo assim uma melhor comparação de confiabilidade dos valores aferidos. Vale ressaltar que o R2 é o coeficiente de determinação, ou seja, quanto mais próximo de 1, mais correto estará a equação proposta para determinado equipamento. Tendo adotado os valores aferidos pelo banho como os valores de referência, calculou-se o erro relativo de cada elemento medidor de temperatura em relação ao valor de referência com a ajuda da equação 1 em que xi é o valor medido e xv é o valor verdadeiro. Após calculado, os erros relativos foram expostos nas tabelas 3 e 4: 𝐸𝑟 = 𝑥𝑖 − 𝑥𝑣 𝑥𝑣 × 100 (1) Tabela 3 – Erro relativo dos equipamentos no aquecimento. Aquecimento Medida Temp. Banho (°C) Tempo (min) Term. Hg(°C) Term. álcool (°C) Term. Digital (°C) Termopar (°C) 1 29 0 2,76 % 13,80% 4,48% 13,79% 2 40,8 6 10,29% 17,65% 10,29% 17,65% 3 60,2 15 7,97% 11,30% 5,31% 11,30% 4 74,3 23 4,98% 7,67% 5,92% 7,67% 5 80 27 5% 6,25% 5,25% 6,25% 6 84,6 31 5,20% 6,38% 4,49% 5,20% 7 86,5 32 4,05% 5,20% 2,77% 4,04% Média XXX XXX 5,75% 9,75% 5,50% 9,41% Fonte: Autores (2023). 16 Tabela 4 – Erro relativo dos equipamentos no resfriamento. Resfriamento Medida Temp. Banho (°C) Tempo (min) Term. Hg(°C) Term. álcool (°C) Term. Digital (°C) Termopar (°C) 1 86,7 0 0,23% 3,81% 1,50% 1,50% 2 84 2 1,19% 1,19% 0% 1,19% 3 77 6 2,60% 0% 0,91% 0% 4 70,9 10 2,68% 1,27% 3,95% 0,14% 5 65,7 14 2,59% 1,06% 4,87% 1,06% 6 61,2 18 3,59% 1,96% 4,90% 0,33% 7 60,1 19 3,49% 1,83% 4,99% 0,17% Média XXX XXX 2,34% 1,59% 3,02% 0,63% Fonte: Autores (2023). Analisando as tabelas 3 e 4 é notório perceber que na tabela 3 todos os equipamentos utilizados para a curva de aquecimento apresentaram um erro relativo superior a 5%, onde isso pode ser explicado pelo fato de que nos primeiros estágios do aquecimento houve uma rápida taxa de crescimento da temperatura em relação ao tempo inicialmente proposto, ou também pode se dar por fatores de falta de calibração da aparelhagem adjunto ao erro de visualização da temperatura pelo operador, o erro de paralaxe, mediante a medidores analógicos como os de expansão de mercúrio e álcool. Vale ressaltar também que o termômetro digital que deveria ser o mais exato dentre todos os equipamentos usados, estava sofrendo com um delay no dia da prática. Já na tabela 4 ocorreu o inverso do que ocorreu na tabela 3, onde os erros encontrados foram de fácil percepção nos equipamentos, pois se comportaram de uma maneira muito mais adequada durante a etapa de resfriamento, e isso pode ser explicado pela baixa variação de temperatura que esta etapa apresentou. 17 As taxas de temperatura de cada equipamento podem ser extraídas por uma equação linear, ou seja, pelo seu coeficiente angular. Portanto, através das tabelas 5 e 6 é possível encontrá-las. Tabela 5 – Taxa de aquecimento. Banho térmico Term. Hg Term. Álcool Term. Digital Termopar R2 0,9929 0,9871 0,9858 0,9872 0,9823 Taxa de aquecimento (°C/min) y = 1,7997x + 30,606 y = 1,8556x + 33,165 y = 1,7824x + 36,451 y = 1,8343x + 33,3 y = 1,7561x + 36,669 Fonte: Autores (2023). Tabela 6 – Taxa de resfriamento. Banho térmico Term. Hg Term. Álcool Term. Digital Termopar R2 0,9945 0,9906 0,9854 0,9868 0,9897 Taxa de aquecimento (°C/min) y = - 1,4125x + 86,152 y = - 1,4914x + 85,344 y = - 1,5981x + 88,038 y = - 1,6344x + 86,711 y = - 1,4891x + 87,107 Fonte: Autores (2023). Através das tabelas 5 e 6, é possível extrair da equação linear as taxas de aquecimento e resfriamento de todos os equipamentos utilizados. Sendo assim, com o auxílio das tabelas 3 e 5 é possível perceber que o melhor medidor em termos de aquecimento que se manteve eficiente em suas medidas foi o termômetro digital, com o menor erro apresentado entre os demais, como é um medidor de temperatura sem ser analógico, obtém-se uma temperatura mais precisa, o qual evita um fenômeno chamado paralaxe, sendo assim o mais próximo de se comportar como a aferição do próprio banho. 18 O termômetro de álcool possui o maior erro entre os demais medidores e isso pode se dar por ser analógico e apresentar dilatação térmica, promovendo assim um maior retardo de sua variação volumétrica para aferição na escala graduada. Em relação ao termoparutilizado que apresentou o segundo maior erro relativo entre todos os equipamentos, isso pode ser definido pela própria natureza do equipamento e por estar se tratando de uma curva de aquecimento, o qual apresenta uma variação de temperatura ao longo do tempo que interfere em uma medição precisa do equipamento. Em relação a taxa de resfriamento, nas tabelas 4 e 6 percebeu-se que passado um tempo de uso do banho térmico permitiu que os instrumentos de análise tomaram medidas mais precisas devido a não variação brusca ao longo da curva de resfriamento, traduzindo assim em uma melhor precisão dos equipamentos. O termopar foi o equipamento que apresentou menor erro dentro os demais e isso pode ser explicado pelo fato de como a curva de resfriamento apresenta uma menor variação, seus dados ficaram mais precisos. O termômetro digital apresentou o maior erro relativo em relação aos outros equipamentos devido a um acontecimento dito anteriormente, pois durante a pratica executada, o equipamento estava apresentando um delay e com isso, prejudicou sua medição. Para a estimativa de tempo necessário para se aquecer até alcançar a temperatura de 90ºC e de se resfriar o sistema para uma temperatura de 15ºC foi utilizado os modelos que apresentaram o menor erro percentual dentre os equipamentos, utilizou-se para o aquecimento o termômetro digital e para o resfriamento o termopar. Sendo assim, foi plotado um gráfico de acordo com as curvas de calibração do termômetro digital e do termopar, apresentados na figura 8: 19 Figura 8 – Relação de tempo para o aquecimento e resfriamento. Fonte: Autores (2023). Com base na figura 8 é possível encontrar o tempo em que se alcançaria 90ºC pelo aquecimento que seria de aproximadamente 34 minutos e para resfriar até 15ºC partindo da temperatura atingida anteriormente levaria em torno de 40 minutos. Comentando sobre o termopar utilizado na prática, viu-se que é do tipo J, com isso, é possível observar na tabela 7 a voltagem do termopar utilizado com os valores obtidos nas medições do aquecimento e resfriamento. A voltagem é determinada a partir da equação 1: 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 = 𝐹. 𝐸. 𝑀 (𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒) − 𝐹. 𝐸. 𝑀 (𝐹𝑟𝑖𝑜) (3) 30.3 45 63.4 78.7 84.2 88.488.988 85 77 71 65 61 60 y = -0.0249x2 + 2.6544x + 30.064 R² = 0.9993 y = 0.029x2 - 2.0504x + 88.408 R² = 0.999 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Te m p e ra tu ra (° C ) Tempo (min) Term. Digital (Aquecimento) Termopar (Resfriamento) 20 Tabela 7 – Equivalência do Termopar. Fonte: Autores (2023). Termopar (°C) Equivalência (Fonte Quente) mv Equivalência (Fonte Fria) mv Tensão mv 33 1,693 0,364 48 2,480 1,151 AQUECIMENTO 67 3,489 2,16 80 4,187 1,329mV 2,858 85 4,456 3,127 89 4,672 3,343 90 4,726 3,397 88 4,618 3,289 85 4,456 3,127 77 4,025 1,329mV 2,696 RESFRIAMENTO 71 3,703 2,374 65 3,382 2,053 61 3,169 1,84 60 3,116 1,787 21 Foi utilizado como base a temperatura do laboratório de 29ºC com o sensor registrando uma força eletromotriz de 1,329 mV. A voltagem foi identificada com o auxílio do Anexo da Tabela de milivoltagem do termopar em relação a cada valor de temperatura que foi registrado durante as medições em tempos distintos. O funcionamento do termopar é a partir da diferença de temperatura entre as suas extremidades, a extremidade unida e a extremidade livre dos metais, sendo assim, essa voltagem é obtida através dessa diferença de temperatura dos metais que vai gerar um potencial elétrico segundo o efeito de Seeback. Portanto, foi possível observar na tabela de Equivalênica do Termopar que enquanto as temperaturas aumentam, a voltagem também cresce. 22 6. Conclusão Concluindo, ao término da prática percebeu-se que com diferentes tipos de instrumentos de medição haverá diferentes medidas de temperatura na qual tais marcações foram dispostas e discutidas nas figuras 6, 7 e 8, juntamente com seus respectivos erros. Ao analisar os resultados é possível perceber a importância de escolher o modelo de equipamento de medição adequado para a aferição da temperatura de forma mais próxima da exatidão e ter o resultado desejado de acordo com a necessidade do processo. Vale ressaltar que cada processo é necessário para o equipamento escolhido, logo estará mais disposto a se seguir com o que é requerido, sem com que haja uma falta de compatibilidade entre o que se deseja de um equipamento com aquilo que este pode oferecer. Portanto, de uma maneira mais técnica, viu-se que no aquecimento o termômetro digital foi o mais preciso, coincidindo com a literatura, já no resfriamento foi o termopar, que também não é uma surpresa por apresentar uma dilatação térmica melhor que os analógicos por exemplo. Por fim, o objetivo proposto foi comprido e mostrou a importância e a funcionalidade de cada medidor de temperatura. 23 7. Referências PERRY, R. H. Manual de Engenharia Química. 5ª Edição, Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois 1980. Temperatura. Mundo da educação. Disponível em:< https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/temperatura-calor.htm>. Acesso em 13 de fevereiro de 2023. https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/temperatura-calor.htm 24 8. Anexos UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL CENTRO DE TECNOLOGIA – CTEC Medição de temperatura Medição de temperatura (1) Resumo 1. Introdução 2. Objetivos 3. Procedimento experimental 3.1. Equipamentos 3.2. Metodologia 5. Resultados e discussões 6. Conclusão 7. Referências 8. Anexos
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