5aExperiencia Termopares

Prévia do material em texto

Física III – Prática Vinculada (5910233) 5ª Experiência
Termopares
Objetivos: 
Entender o princípio de funcionamento de um termopar efetuando suas calibrações para medidas de temperatura.
Introdução
A resistividade de muitos metais puros varia quase que linearmente com a temperatura, em um grande intervalo. Em geral essa resistividade pode ser escrita como:
 
 ,				(1)
sendo ( a resistividade em determinada temperatura T, (0 a resistividade à temperatura de referência T0, e ( o coeficiente térmico da resistividade. Assim sendo, em um intervalo limitado de temperatura, pode-se aproximar o gráfico de ( versus T por uma reta. Desse modo, por exemplo, pode-se calibrar o valor da resistência medida em função da temperatura, utilizando-se um fio de cobre, construindo-se um termômetro.
Figura 1. Termopar com referência a 0º C (gelo em fusão)
Por outro lado, quando dois metais diferentes são unidos temos um termopar ou par termoelétrico. Se as junções desses metais são mantidas a temperaturas diferentes, aparece uma ddp neste circuito conforme ilustrado na figura 1.
Esta ddp é função da diferença de temperatura entre as junções e, quando uma das junções é mantida a 0oC, é expressa pela seguinte lei:
 ( = at + bt 2						(2)
em que a e b são as constantes termoelétricas do par, e t a temperatura da outra junção. O gráfico de ( contra temperatura fornece a curva de calibração para o termopar. A tabela abaixo ilustra algumas tensões para os termopares mais comuns.
Força eletromotriz (mV), referência 0º C				Termopares
	Temperatura de outra junção oC
	 Cobre-Constatan
	 Ferro-Constatan
	 Niquel-
NiCr(12.5%)
	Cromel- Alumel
	Platina- 
 Pt R h 
(10%)
	Platina 
 Pt Rh
 (13%)
	-100
	-3.35
	-4.82
	------
	-3.49
	-----
	-----
	10
20
30
	0.39
0.79
1.19
	0.52
1.05
1.58
	0.33
0.66
1.0
	0.40
0.80
1.20
	0.06
0.11
0.17
	0.06
0.11
0.17
	100
	4.28
	5.40
	3.3
	4.10
	0.64
	0.65
	200
300
400
500
	9.29
14.86
20.87
------
	10.99
16.56
22.07
27.58
	6.6
9.9
13.2
16.7
	8.13
12.21
16.39
20.64
	1.43
2.31
3.24
4.22
	1.47
2.40
3.40
4.46
	600
700
800
900
1000
	------
------
------
------
------
	33.27
39.30
45.72
52.29
58.22
	20.2
23.7
27.2
30.9
34.7
	24.90
29.14
33.31
37.36
41.31
	5.22
6.26
7.33
8.43
9.57
	5.56
6.72
7.92
9.18
10.47
	1100
1200
1300
1400
1500
	------
------
------
------
------
	------
------
------
------
------
	38.6
42.6
------
------
------
	45.14
48.85
52.41
55.81
------
	10.74
11.93
13.13
14.33
15.55
	11.82
13.19
14.58
15.97
17.36
	1600
1700
	------
------
	------
------
	------
------
	------
------
	16.75
17.95
	18.73
20.09
 
Devido à baixíssima energia absorvida por essas junções elas são amplamente utilizadas para medidas de temperatura. Os termopares mais comuns como, por exemplo, os de cobre-constantan varrem uma faixa de temperatura de -2000 C (Nitrogênio líquido) a +4000C. Outros, mais sofisticados, como os de ferro-ferro, dopado com ouro, são utilizados na faixa de 1 a 10K. Seria muito difícil imaginar termômetros convencionais que cobrissem faixas tão amplas de temperaturas.
O efeito da temperatura sobre metais ou junções de metais diferentes manifesta-se de três maneiras distintas:
1o) Efeito Seebeck. Se, em um circuito fechado, constituído por diferentes materiais condutores (por exemplo, uma única malha formada com fios de cobre, de constantan e de ferro), as emendas (junções) dos diferentes metais estiverem a temperaturas diferentes, o circuito é percorrido por uma corrente elétrica. Este efeiro é o responsável pelo aparecimento da ddp observada em um termopar.
2o) Efeito Peltier. Quando uma corrente elétrica flui através de uma junção de dois metais diferentes, há produção ou absorção de calor, e a ocorrência de um ou do outro fenômeno depende do sentido que a corrente atravessa a junção. Verifica-se, experimentalmente, que a quantidade de calor fornecida ou absorvida no efeito Peltier é proporcional à intensidade da corrente. Esse efeito é hoje utilizado principalmente para refrigeração, com, por exemplo, a de um tubo fotomultiplicador para diminuir o ruído térmico.
3o) Efeito Thompson. Sempre que há gradiente de temperatura em um condutor existe gradiente de potencial elétrico. A explicação que a termodinâmica nos dá do efeito Thompson é, resumidamente, a seguinte: se aquecermos uma extremidade de uma barra metálica, aparecerá, ao longo da mesma, um gradiente de temperatura. A agitação térmica dos elétrons será maior nas regiões em que a temperatura for mais elevada. A tendência de se estabelecer uniformidade de pressão do gás eletrônico, no condutor, acarreta uma concentração de elétrons, variável com a temperatura, e que se comporta como função decrescente desta. Em conseqüência, há um acúmulo de elétrons de condução na região de temperatura mais baixa.
Materiais
Gelo;
1 ebulidor;
1 termômetro;
1 termopar de Cobre-Constantan;
1 termopar de Ferro-Constantan;
1 amplificador;
2 recipientes;
1 multímetro digital;
1 transformador 110-6 V (5A, isolado);
cabos para conexões.
Procedimento Experimental:
1) Calibração do termopar:
Conecte o termopar à unidade amplificadora e, posteriormente, ao voltímetro. Isso irá possibilitar que as pequenas voltagens produzidas no termopar sejam medidas por um voltímetro de sensibilidade moderada. A figura 2 mostra esse esquema.
Para zerar o amplificador de voltagem, coloque as duas pontas dos termopares à mesma temperatura, por exemplo, 0oC. Ajuste o ganho para 1x e zere o multímetro, pelo ajuste de offset. Repita o procedimento para os ganhos de 10x, 100x e 1000x. Para que serve esse ajuste de ganho?
Para o termopar de Cobre-Constantan (ou de Fe-Constantan), através da tabela de f.e.m. de termopares, verifique as faixas de tensões produzidas quando uma das junções esta a 0oC e a outra varia de 100 a 0oC.
A seguir faça uma curva de calibração do termopar utilizando um termômetro de mercúrio e água em diferentes temperaturas. Faça leituras desde temperatura ambiente até água fervente, ou vice-versa.
Repita o procedimento acima só que agora a junção de referência deve estar à temperatura ambiente, e a outra varia de 100 a 0oC.
Figura 2. Esquema de ligação de termopar ao amplificador e voltímetro para medida da temperatura.
 	Apresente gráficos e discuta seus resultados, se possível com comparações com os valores esperados, e também fazendo uma comparação entre os diferentes tipos de termômetros estudados.
Observação importante: Metade dos alunos irá realizar as medidas com Cobre-Constantan e a outra metade com Ferro-Constantan.
Bibliografia�
1. Keller, F.J., Gettys, W.E. e Skove, M.J., Física, vol. 2. MAKRON Books, São Paulo, 1999, cap. 26. 
2. Boylestad, R.L., Introdução à Análise de Circuitos, 8a edição. Prentice-Hall do Brasil, Rio de Janeiro, 1998, cap. 7.
3. Hennies, C.E., Guimarães, W.O.N., Roversi, J.A. e Vargas, H., Problemas Experimentais em Física, Vol. II. Editora da Unicamp, Campinas, 1993. 
� Roteiro e texto elaborados por docentes e colaboradores do DF-FFCLRP-USP.
_1281269607.unknown