Relatorio 1 fenomenos de transporte cobas

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Universidade Federal de Itajubá
Fenômenos de Transporte
Ensaio 1 – Medição de Temperatura e propriedades termométrica
				
				
Leandro Petruci Rodrigues 	2016004238
8 de Maio de 2018
Introdução
Não é possível falar de Propriedades Termométricas sem antes conceituar e estudar calor e temperatura. Dá-se o nome de Calor a uma forma de energia que transita entre dois corpos. Uma panela com água recém fervida sobre um fogão irradia calor nas suas proximidades, o que pode ser percebido pelo simples aproximar das mãos. Historicamente o calor intrigou os cientistas. Por volta do final do século XVIII muitas das propriedades das trocas de calor entre os corpos já eram conhecidas e estudadas, porém o desconhecimento da estrutura da matéria impedia uma formulação da teoria do calor que pudesse justificar e prever coerentemente os fenômenos térmicos. 
Acabou prevalecendo a idéia de que todos os corpos e toda forma de matéria teria em sua constituição uma quantidade de um elemento invisível, sem peso e inodoro que recebeu o nome de "calórico". O calórico seria o responsável pelos fenômenos térmicos e poderia migrar de um corpo para outro modificando as temperaturas. Cada corpo possuiria uma quantidade finita de calórico.
Um pouco mais tarde, em 1824, Sadi Carnot mostrou que o calor podia ser transformado em trabalho e vice-versa, embora ainda acreditasse na existência do fluido calórico.
É possível que a primeira contestação da existência do calórico tenha sido formulada por Benjamin Thompson, conde de Rumford, nascido em 1753 em Massachussets, colônia britânica na América. Thompson atuou como ministro de assuntos militares do príncipe da Baviera, atividade que o envolveu com a produção de canhões.
Essas peças eram obtidas pela usinagem interna de cilindros de ferro fundido com o auxílio de uma broca. Obviamente o desbaste do ferro produzia muito calor, o que era creditado à libertação de calórico do metal. Thomsom, cientista e observador arguto, percebeu que mesmo quando as brocas se encontravam muito desgastadas e não podiam mais desbastar o ferro, ainda assim persistia a produção de calor e que isso poderia ser feito indefinidamente. Isso o levou a concluir que o calórico não deveria existir e que o calor tinha uma estreita relação com movimento e trabalho.
Pouco depois, os trabalhos do inglês James Prescott Joule, definiram a equivalência entre trabalho e energia e postularam a conservação da energia, soterrando de vez a teoria do calórico. Ficou definitivamente estabelecido que o calor era uma forma de energia que fluia espontaneamente dos corpos de maior temperatura para os de menor temperatura, sendo que a energia total envolvida permanecia constante.
Resta entender o que seja temperatura. Esse conceito ficou bem definido após a descoberta da estrutura da matéria. Os átomos e moléculas que constituem os corpos vibram continuamente, com maior liberdade no caso dos gases, ou menor liberdade como nos líquidos e menos ainda nos sólidos. Contudo vibram. A essa vibração está associada uma quantidade de energia denominada energia cinética translacional média. A temperatura dos corpos é uma medida indireta dessa energia, ou estado vibracional.
Sintetizando: calor é uma forma de energia que flui e temperatura é uma medida do grau de agitação das moléculas de um corpo.
	
Objetivo
	Neste relatório, será estudado a capacidade de trocas de calor (propriedades termométricas) de um dispositivo de resistência de platina, um termopar e um termistor. Examinar o efeito da temperatura em um dispositivo de líquido em vidro, e, por fim, examinar o efeito da temperatura em um termômetro bimetálico.
Fundamentação Teórica
Quando dois corpos em temperaturas diferentes são postos em contato, flui calor espontaneamente, do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura, até que ambos alcancem a mesma temperatura. Esse estágio final é o equilíbrio térmico.
A variação da temperatura altera algumas das propriedades físicas dos corpos. Como regra geral, o volume dos corpos aumenta com o aumento de temperatura, a cor do espectro de radiação é alterada, como se percebe ao aquecer um fio metálico, a resistência elétrica é alterada e a pressão dos gases cresce com o aumento de temperatura. Essas são chamadas propriedades termométricas e são elas utilizadas para a medida de temperaturas, o que dá origem a diversos tipos de termômetros.
Um termômetro é um instrumento que se faz entrar em equilíbrio térmico com o corpo cuja temperatura se deseja medir e através do qual se observa a variação de uma propriedade termométrica. Para a medida da temperatura basta que se faça uma calibragem do termômetro em duas temperaturas diferentes tomadas como referências.
Uma outra propriedade da transferência de calor facilita a escolha dessas referências. Os corpos ao receberem calor aumentam sua temperatura exceto quando mudam de estado físico. Quando um bloco de gelo que está inicialmente a, digamos, -20°C, começa a receber calor, sua temperatura vai aumentando até chegar aos 0°C. Nesse momento inicia-se a fusão (derretimento) do gelo e todo o calor recebido a partir daí é consumido internamente para fundir o gelo, sem que a temperatura se altere. Somente após a fusão total do gelo é que a temperatura recomeça a subir (Figura 1).
Figura 1 - Estado da água conforme a temperatura
Novamente, atingidos os 100°C (sempre à pressão de 760mmHg), é que a temperatura estaciona durante outra mudança de estado: a vaporização da água. Esses dois pontos, o do gelo fundente e o da vaporização da água à pressão atmosférica do nível do mar, são referenciais usados para a calibração dos termômetros.
Um termômetro a gás terá a pressão do gás medida nesses dois patamares, sejam elas P1 e P2 e o intervalo entre essas duas medidas é dividido em um número de partes que se chamarão graus de medida.
A peculiaridade de dilatação expressiva apresentada pelos líquidos é muito utilizada nos termômetros a álcool ou de mercúrio. Esses líquidos são confinados em um capilar de vidro de forma que se possa observar o comprimento da coluna que formam. Esses comprimentos são então medidos nos dois patamares de referência e novamente entre eles é criada uma escala.
Materiais
Sensor PT100 industrial;
Sensor PT100 referência;
Termopar;
Termistor;
Termômetro de pressão de vapor;
Desenvolvimento Prático
 5.1. Dados Coletados
	A seguir, é mostrada a tabela 1 com os dados coletados no experimento.
	PT100 REF Leitura (°C)
	PT100 IND Leitura (Ω)
	Termopar Leitura (μV)
	Termistor Leitura (Ω)
	Termômetro gas (°C)
	27,21
	111,63
	1083
	2722
	25
	35,69
	114,87
	1429
	1909
	33
	43,21
	117,86
	1736
	1413
	40
	51,21
	120,82
	2063
	1043
	49
	59,21
	123,83
	2396
	776
	58
	67,21
	126,72
	2725
	587
	66
	74,84
	129,55
	3050
	451
	74
	82,85
	132,31
	3376
	351
	82
	90,91
	134,96
	3714
	273
	90
	97,3
	137,28
	3994
	223
	98
Tabela 1 - Tabela de Resultados do experimento
	
5.2. Tratamento de dados
Durante este experimento como visto na tabela anterior, coletamos dados das variações dos sensores: PT100 REF, PT100 IND, TERMOPAR, TERMISTOR, TERMÔMETRO GÁS, observando os valores no estado inicial (linha 2 tabela), e, após, ligar o aquecedor e o agitador de água, fizemos a leitura dos sensores a cada 8ºC, até chegar na temperatura de ebulição da água na pressão local.
Foi observado um crescimento linear dos sensores, PT100 IND e TERMOPAR e um decrescimento linear do TERMISTOR, isso se deve ao princípio de funcionamento de cada um desses sensores, com o TERMISTOR diminuindo a sua resistência conforme a temperatura sobe e o PT100 IND aumentando sua resistência conforme o aumento de temperatura, e o TERMOPAR aumentando sua diferença de potencial (tensão) conforme aumenta a temperatura. 
5.3. Gráficos
Com os resultados obtidos com a análise e a leitura, foi possível desenvolver os gráficospara cada sensor de medição em comparação com o sensor PT100 referência. (Figura 2, Figura 3, Figura 4, Figura 5).
Figura 2 - PT100 Ind (ºC) VS PT100 REF
Figura 3 - Termopar VS PT100 REF
Figura 4 - Termistor VS PT100 REF
Figura 5 - Termômetro de pressão VS PT100 REF
5.4. Análise de resultados
	
Como visto pelos gráficos, a relação PT100 REF Vs Termômetro de pressão, termopar e o PT 100 Ind, segue uma crescente linear, mostrando uma grande precisão destes sensores. Agora, comparando com o termistor são sensores precisos, quimicamente estáveis e não são muito afetados pelo envelhecimento. No entanto, eles são limitados quanto ao intervalo de temperatura, operando apenas em um intervalo nominal entre 0°C a 100°C. O gráfico possui um comportamento exponencial perfeito, podendo, com isso demonstrar a precisão na medição do termistor. Vale lembrar que o termopar e o termômetro de pressão não são sensores precisos como os PT100 e o termistor.
	
Conclusões
	Por fim, após análise dos dados, se entendeu melhor as propriedades termométrica dos materiais, que é a troca de calor do material com o meio, os sensores usados neste experimento. Assim como a faixa ideal de temperatura de trabalho de cada sensor, e a precisão de cada um deles, sendo os PT 100 e o termistor com uma maior precisão. 
Pergunta bônus
Quanto de energia entrou no sistema?
A partir da equação abaixo, é possível calcular a quantidade de energia em um sistema.
Onde Q é a quantidade de energia, m é a massa, c é o calor específico, e Δt a variação da temperatura. Utilizando os dados:
m = 1000 g, c = 1 cal/(g*°C), ΔT = 97,53°C - 27,21°C = 70,32°C.
Q = 1000g*1 cal/(g*°C) * 70,32°C
Q = 70320 cal.
Com isso, a quantidade de energia que entrou no sistema foi de 70,32 Kcal.
Referências
COBAS, Vladimir Rafael Melian. Aula de Fenômenos de transporte. Unifei, Itajubá, 2018.