Relatório 1 Termodinâmica (Professor Fagner - Unifei)

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Universidade Federal de Itajubá
IEM – Instituto de Engenharia Mecânica
Ensaio n° 01: Medida Experimental de Temperatura
Disciplina: EME 503
Curso: Engenharia Mecânica
Aluno: Ângelo Henrique Munhoz Silva
Matrícula: 27036
Professor: Fagner Luis Goulart Dias
Turma: P1
Dia e Hora: 09/03/2015, 13:30
Itajubá, 2015, 1° semestre
 Resumo
	Texto realizado com o intuito de apresentar os conceitos adquiridos no primeiro laboratório de termodinâmica na Universidade Federal de Itajuba, onde foram apresentados diversos tipos de medidores de temperatura, como medidores por efeitos mecânicos, elétricos, radioativos e por comparação de cores, sendo que foi citado suas principais funções e aplicações tanto no ramo de pesquisas acadêmicas quanto aplicação de engenharia em indústrias ressaltando informações como custo, locais de uso, precisão e os pontos positivos e negativos de cada termômetro.
Índice
Introdução ................................................................................................. 4
Objetivos .................................................................................................... 5 
Fundamentação teórica ............................................................................. 5
Método mecânico ...................................................................................... 5
3.1.1 Termômetro de gás ................................................................................. 5
3.1.2 Termômetro bimetálico ........................................................................... 6
3.1.3 Termômetro de bulbo .............................................................................. 7
3.2. Efeito elétrico ............................................................................................. 8
3.3. Efeito radioativo ......................................................................................... 9
3.3.1 Pirômetro ótico ........................................................................................ 10
3.3.2 Pirômetro de radiação ............................................................................. 10
3.4 Comparação de cores ................................................................................. 11
4. Materiais e métodos ..................................................................................... 11
4.1 Materiais ..................................................................................................... 11
4.2 Métodos ...................................................................................................... 11
5. Resultados e discussões ................................................................................ 12
6. Bibliografia .................................................................................................... 13
Introdução
	 Em muitos sistemas de engenharia a temperatura consiste em uma importante variável física que necessita ser monitorada e controlada. Por exemplo, sensores de temperatura estão presentes em prédios, computadores, motores, etc. Muitos fenômenos físicos (resistência elétrica, volume, pressão, etc) podem ser relacionados com a temperatura através da variação das quantidades e essas alterações podem ser usadas para medir a temperatura.
 	A temperatura pode ser medida com uma grande variedade de instrumentos, onde cada um utiliza diferentes princípios de operação. Como visto em laboratório existem quatro categorias primárias de medidores de temperatura, que são baseadas nos princípios físicos de cada um deles: método mecânico (variação de volume e de pressão, termômetro de expansão de sólido e termômetro de bulbo), medição por efeito elétrico (modificação da resistividade elétrica e efeito termo-elétrico), medição por radioativo e medição por comparação de cores. No experimento foram apresentados exemplos materiais de todos os métodos citados, com exceção ao último, sendo eles: termômetro de líquido em vidro, termômetro de gás, termistores, termopares, pirômetro ótico e pirômetro radioativo.
Objetivos
	Os objetivos do ensaio realizados eram:
Tornar-se familiarizado com diversos tipos de termômetros;
Apresentação de informações sobre os termômetros com suas características;
Entender os princípios de funcionamento dos termômetors. 
Fundamentação teórica
	
	 A necessidade de se fazer medições precisas se dá devido aos diversos processos que necessitam ser controlados tanto no ramo de pesquisas quanto em linhas de produção em indústrias. E para isso é necessário conhecer o modo de funcionamento dos diversos medidores e as suas funcionalidades práticas. 
 	Com relação aos termômetros, medidores de temperatura, podemos dividi-los em grupos a partir de seus princípios de funcionamento, sendo eles o método mecânico, por efeito elétrico, efeito radioativo e comparação por cores.
3.1. Método Mecânico
 	Valendo-se das alterações que os materiais sofrem em relação a pressão e medidas enquanto ocorre alteração de temperatura, são feitas relações que permitem o conhecimento desta temperatura.
Termômetro de gás
 	O termômetro de gás (figura 1) parte do princípio da termodinâmica que formula o enunciado dizendo que quando há volume constante a pressão cresce com o aumento da temperatura, seguindo a equação do gás perfeito:
	
P*V = R*T
	
 
Figura 1. Termômetro de gás. Fonte: Guia de laboratório do 1°Ensaio: Medida Experimental de Tempratura.
Termômetro bimatálico
 	Baseados no fato da expansão em metais diferentes apresentarem dilatações divergentes, pois o termômetro em questão (Figura 2) é constituído por dois metais soldados de materiais não iguais, a temperatura é obtida devido ao encurvamento de uma das partes. 
 	Apresentando funcionamento a partir do princípio da dilatação linear, ele tem operação de segurança em temperaturas entre -20°C e 400°C e o material de sua constituição é mais comumente o inconel. 
Figura 2. Termômetro Bimetálico. Fonte: Guia de laboratório do 1°Ensaio: Medida Experimental de Tempratura
Termômetro de bulbo
	 Com o funcionamento a partir de expansão térmica de um líquido, geralmente o mercúrio, dentro de um bulbo (Figura 3), segue a seguinte lei da termodinâmica:
			Vf = Vi*(1 + a*ΔT)
sendo “a” o coeficiente de variação da temperatura.
Figura 3. Termômetro de bulbo. Fonte: Guia de laboratório do 1°Ensaio: Medida Experimental de Tempratura
Efeito elétrico
 	Podemos dividir esse tipo de termômetro e duas vertentes principais, sendo uma delas a por resistência elétrica e a outra por efeito termoelétrico. Em relação a primeira podemos ressaltar a relação entre resistência elétrica e a mudança de temperatura, já o segundo funciona a partir do chamado efeito Seeback, onde uma FEM (força eletromotriz) é gerada devido a diferença de temperatura entre os dois condutores elétricos diferentes.
 	 Como exemplo do primeiro caso temos os termistores e os termômetros de cristal de Quartzo. Naquele caso o aumento da temperatura causa uma diminuição da resistência elétrica (Figura 4), já neste a variação de temperatura causa uma mudança na frequência de ressonância do cristal, representado pela seguinte equação (Figura 5):
Figura 5. Equação da freqência no termômetro de cristal de Quartzo. Fonte: Mechanical Measurements; R. S. Sirohi, H. C. Radha Khrishna
 
onde U é o argumento onde a função Bessel é zero, r é o raio e L o comprimento da cavidade, e é esta cavidade que expande ou contrai com influência da temperatura, alterando assim a resistência. 
 
Figura 4. Gráfico mudança de resistência com a temperatura. Fonte: Revista Brasileira de Engenharia Biomédica
 	Tratando dos termômetros por efeito termoelétrico citamos o termopar (Figura 6). Este que é constituído de dois condutores diferentes que geram uma FEM quando submetidos a temperatura diferentes (efeito Seeback).
Figura 6. Termopar. Fonte: Guiade laboratório do 1°Ensaio: Medida Experimental de Tempratura
 	Cada termopar é constituído de diferentes materiais, sendo assim existem variações nas faixas de medição de cada um deles, fato que é representado na tabela 1.
Tabela 1. Materiais dos termopares. Fonte: Industrial Heating
Efeito radioativo
 	Baseados no princípio de Stefan-Boltzman, que tem o enunciado dizendo que a temperatura do corpo influencia na radiação que os corpos emitem, esses medidores permitem monitorar a temperatura sem contato direto com o objeto. A equação abaixo rege o funcionamento desse time de termômetro.
Q = ɛ*σ*T4
onde Q é a radiação emitida, ɛ é a emissividade da superfície, σ é a constante de Stefan-Boltzmann e T é a temperatura absoluta do corpo. 
 	Os dois tipos principais tipos desse termômetro são o pirômetro ótico e o de radiação.
Pirômetro ótico 
 	Opera por meio da comparação do brilho de um filamento incandescente por meio de uma célula foto elétrica. Um exemplo desse tipo encontra-se na figura 7.
Figura 7. Pirômetro ótico. Fonte: Catálogo extech
Pirômetro de radiação 
 	Utiliza-se do funcionamento do termopar para obter uma FEM através da radiação emitida pelo corpo que é medida por um potenciômetro e assim obtido o valor da temperatura (Guia de laboratório do 1°Ensaio: Medida Experimental de Tempratura).
Comparação de cores
 	Utilizados principalmente em locais de difícil acesso, como por exemplo em motores, esses medidores de temperatura utilizam pigmentos que alteram as suas cores quando em contato com diferentes temperaturas. Desse modo, após o local onde o material foi aplicado sofrer alteração se faz uma comparação de cores com uma tabela já anteriormente existente e padronizada. 
Materiais e métodos
4.1 Materiais
- Termômetros de radiação (pirômetro ótico)
- Termopares
- Diversos termômetros de bulbo
- Termômetro bimetálico
 4.2. Métodos
 O laboratório ocorreu com explicações sobre o tema pelo professor e demonstrações dos diversos tipos de termômetros aos alunos, explicando os diversos usos e aplicações dos termômetros bem como uma introdução aos modos de funcionamento de cada um deles.
Resultados e discussões 
	 Analisando os diversos tipos de medidores de temperatura pode-se perceber que a seleção do termômetro adequado leva em conta a aplicação a qual ele será submetido, o caixa disponível para a compra e a precisão desejada do equipamento.
 	Pode-se afirmar que os termômetros de radiação apresentam aplicação onde a precisão é muito reelevante e também em locais onde não pode-se estabelecer contato direto com o local desejado da medição. Já os termômetros de bulbo são mais utilizados onde é permitido uma precisão com faixa mais ampla e pode ocorrer o contato direto entre o corpo a ser medido e o medidor. Sobre o termopar é evidente o seu uso em larga escala dentro das indústrias devido a sua fácil leitura e a ser resistente, bem como o seu baixo custo.
 	Em relação ao caixa temos que os termômetros de radiação são os mais caros, enquanto o termopar, bimetálicos e termômetros de bulbo são relativamente baratos. 
	Quando a questão é precisão a ordem do mais preciso para o menos preciso é: termômetro de radiação, termômetros de princípio elétrico e medidores de temperatura a partir de sistema mecânico.
Bibliografia
SIROHI, R. S.; KRISHNA, H. C. RADHA. Mechanical Measurements. 3. ed. New Delhi: New Age Internacional.
Catálogo EXTECH. Disponível em: http://www.extech.com.br/. Acesso em: 15 março 2015.
Temperature measure. In: Industrial Heating. Vol. 4. N. 11/12, Set./2014
Guia de laboratório do 1°Ensaio: Medida Experimental de Tempratura
Medição de temperatura. In: Revista Brasileira de Engenharia Biomédica. Vol. 21, n. 35, Rio de Janeiro, Jun./2011