1 Tarea #1: termómetro a Gas
Termómetro a Gas José Santiago Tinillo Tapia, Faculta de Ingeniería Mecánica, EPN
n el presente documento se dará a conocer los principios básicos y maneras que permiten la medición en diferentes escalas de, la temperatura, en específico mediante el uso del Termómetro a Gas, el cual funciona mediante principios científicos como lo es la ley de Boyle-Mariotte además de magnitudes físicas escalares como lo son: volumen y presión. A su vez se denotará el funcionamiento del Termómetro Termómetro a Gas, como intervienen las nociones físicas ya antes mencionados, usos y aplicaciones del mismo además de cómo se los fabrica y como se encuentran constituidos.
E
Experimentalmente se encuentra que, a temperatura constante, en el límite de bajas presiones el producto (PV) es proporcional a la masa del del gas, e independiente independiente de la naturaleza naturaleza del gas. Esto nos permite definir una ecuación de estado de un gas ideal, donde n es el número de moles y R es una constante universal. Los CVGT se pueden usar como termómetros de gas relativos para la medición de temperatura termodinámica que requiere calibración en un solo punto fijo[1].
I. I NTRODUCCIÓN El termómetro de gas de volumen constante pertenece a la categoría de termómetros llenos de gas y es el más exacto de este tipo, además de que el termómetro de gas es muy preciso, tiene un margen de aplicación extraordinario: desde -27 °C hasta 1477 °C. Para usos industriales, un termómetro por presión de gas consta de un elemento que mide mide la la presión, presión, como como el tubo Bourbon conectado por un tubo capilar a una ampolla que se expone a la temperatura que se ha de medir. El termómetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con gas -helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas deseada- y un manómetro medidor de la presión. La importancia del termómetro de gas radica en que, cuando se extrapola al límite de muy bajas presiones, la escala de temperatura de un gas ideal se puede definir por la relación, ecuación (1), se refieren a la misma masa de gas a dos temperaturas diferentes, T y Tr, una de las cuales ha sido elegida arbitrariamente arbitrariamente como punto fijo o punto de referencia.
II. BASE TEÓRICA A presiones inferiores o del orden de la presión atmosférica (y si las temperaturas son del orden del ambiente o mayores), las variables de estado de los gases están relacionadas entre sí de una manera simple. Esta relación se denomina ecuación (2) de estado de los gases ideales, y se puede escribir como
lim
→0 ()
=
(1)
La presión y el volumen se pueden medir directamente y el cociente del primer miembro da un valor bien definido. Entonces si asignamos un valor a Tr queda determinada la escala de temperatura.
16 de octubre del 2017. El presente trabajo fue propuesto por señor Ing Galo Núñez para el curso de Física II c on el afán de introducir el concepto de temperatura y además las características del termómetro a gas debido a su gran exactitud. Participante: José Santiago Tinillo Tapia perteneciente a la Carrera de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional.
=
(2) (2)
donde n es el número de moles, R = 8,314 J/mol K es la constante universal de gases, T la temperatura termodinámica termodinámica o absoluta (medida en kelvin),V el volumen y p la presión. Por tanto, medidas de presión (a V cte) o volumen (a p cte) permiten determinar la temperatura absoluta o termodinámica. Si dos sistemas A y B se ponen en contacto mediante una pared diatérmica común y no experimentan cambio en sus propiedades, se dice que los mismos están en equilibrio térmico. [2]
La propiedad que permite determinar si los sistemas están en equilibrio térmico es la temperatura. La determinación del valor de la temperatura involucra mediciones indirectas con instrumentos calibrados llamados termómetros que se basan en la variación de una propiedad termométrica. Las propiedades termométricas termométricas más comunes son: volumen, presión, resistencia eléctrica y fuerza electromotriz. electromotriz. A. Temperatura
La Temperatura es una magnitud que mide el nivel térmico o el calor que un cuerpo posee. Toda sustancia en determinado estado de agregación (sólido, líquido o gas), está constituida por moléculas que se encuentran en continuo movimiento. movimiento. La suma de las energías de todas las moléculas del cuerpo se conoce como energía térmica; y la temperatura es la medida de esa energía promedio. El termómetro es el instrumento empleado para medir la
2 Tarea #1: termómetro a Gas temperatura, fue creado por Galileo Galilei, y luego Sanatorios incorporó una graduación numérica. Este por lo general utiliza como escala el centígrado, lo cual desde el año 1948 es conocido como Celsius en conmemoración a Andrés Celsius. Tabla 1: Temperatura de algunos fenómenos físicos
La temperatura se mide con un aparato de precisión llamado termómetro, el cual en la actualidad tiene diferentes variantes. Se utilizan tres escalas de temperatura; grados Fahrenheit (ºF), Celsius (ºC) y Kelvin (ºK). En la escala Fahrenheit, que es la más utilizada en Estados Unidos, se definen los puntos de congelación y de ebullición normales del agua en 32 y 212 ºF, respectivamente. La escala Celsius divide en 100 grados el intervalo comprendido entre el punto de congelación (0 ºC) y el punto de ebullición del agua (100 ºC).[3] B. Presión
Es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. Las unidades de presión son: En el Sistema Internacional de unidades (S.I.) la unidad de presión es el pascal que equivale a la fuerza normal de un newton cuando se aplica en un área de metro cuadrado. 1pascal = 1N/m 2 y un múltiplo muy usual es elkilopascal (Kpa.) que equivale a 100 N/m 2 o 1000 pascales.
D. Gas ideal
Un gas ideal se define como un gas en cual todas las colisiones entres moléculas son perfectamente elásticas y no existen fuerzas de atracción intermoleculares. [5] La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura. En 1648, el químico Jan Baptista van Helmont creó el vocablo gas, a partir del término griego kaos (desorden) para definir las génesis características del anhídrido carbónico. Esta denominación se extendió luego a todos los cuerpos gaseosos y se utiliza para designar uno de los estados de la materia. III. COMO ESTÁ CONSTRUIDO El termómetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con gas -helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas deseada- y un manómetro medidor de la presión. Se pone la ampolla del gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de mercurio (manómetro) que está en conexión con la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.
C. Ley de Boyle-Mariotte
Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.[4] Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión. Lo que Boyle descubrió es que, si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor. La expresión matemática (3) de esta ley es: . =
(3)
Y con condiciones iniciales se tiene: 11 = 22 (4)
Fig. 1: Termómetro a gas, imagen modificada de Kuroisam, dominio público
IV. USOS DE ESTE DISPOSITIVO A. Funcionamiento
El sistema se llena, a presión, con un gas inerte, ordinariamente el nitrógeno. Como el gas del elemento medidor y del tubo de conexión no está a la temperatura del bulbo, el volumen de éste tiene que ser grande para que los errores introducidos por la diferencia de temperatura del elemento medidor de la presión y del tubo capilar resulten insignificantes. El bulbo debe tener por lo menos cuarenta veces el volumen del resto del sistema. Por ello, y a causa del retardo en la transmisión de los cambios de presión por el tubo
3 Tarea #1: termómetro a Gas capilar, la longitud de éste se limita a un máximo de 60 m, y es preferible mucho menos. La presión inicial en el termómetro de gas es ordinariamente de 10 a 35 Kg/cm². Las dimensiones de la escala menores de 50 grados no son recomendadas. El tiempo de respuesta tiende a ser largo, en parte a causa de la necesidad de transmitir los cambios de presión por medio de un tubo de calibre fino y del gran volumen y escasa conductividad térmica del nitrógeno. Para el volumen suficiente, el bulbo tiene ordinariamente 22 mm. de diámetro, lo que da una respuesta lenta. La temperatura es indicada por una aguja que se mueve sobre una escala graduada o se registra en un papel de gráficas sobre un cilindro por una pluma accionada por el elemento que mide la presión.[6] B. Usos en diversos campos
Los termómetros a gas son de gran utilidad en campos industriales como por ejemplo la industria de productor comestibles primarios así podemos ver un claro ejemplo en la fabricación de malta, en donde se implementa el uso de este termómetro para calcular la temperatura de grandes silos en donde la colada cebadita se pone a reposar luego de haber pasado por un proceso de extremo calentamiento, gracias a este tipo de aparato no se introduce ningún objeto proveniente del medio externo reduciendo considerablemente la posibilidad de que el producto se vea expuesto a factores como microbios o agentes patógenos que deteriorarían el producto final. Además de campos alimenticios, este tipo de termómetro se ocupa en el campo de la energía térmica, ya que los grandes contenedores de vapor que se encuentran en este tipo de plantas térmicas deben permanecer completamente aislados del medio externo para evitar la fuga de presión y no reduzca la eficiencia de las mismas; así que el termómetro a gas es una excelente opción para medir y controlar la temperatura, la solución es incorporarlos directamente en la construcción de estos contenedores. Gracias a su gran exactitud estos termómetros son usados ampliamente en el campo técnico científico y de metrología, así pues, gracias a sus características son usados para la experimentación en laboratorios. Como antes se mencionó, también es amplio su uso para la calibración de resto de tipos de termómetros. V. CONCLUSIONES El termómetro a gas tiene una amplia aplicación en diversos campos industriales y experimentales Este dispositivo suele ser usado como base para calibrar otro tipo de termómetro debido a su amplia escala de temperatura. Otro beneficio de este termómetro es su gran exactitud que facilita su amplia aplicación. Los termómetros a gas se pueden clasificar en función a la magnitud que permanece constante: presión o volumen. Además de ser utilizados para medir temperatura estos aparatos nos ayudan a comprender las leyes físicas correspondientes a termodinámica.
R EFERENCIAS [1] O. Tamura · S. Takasu · T. Nakano · H. Sakurai, (Enero 2008) , NMIJ Constant-Volume Gas Thermometer for Realization of the ITS-90 and Thermodynamic Temperature Measurement, Springer Science+Business Media, [Online]. Available: https://goo.gl/2LJV2b. [2] FIQ Universidad Nacional del Litoral, Argentina, 2014 [Online]. Link: http://www.fiq.unl.edu.ar/termodinamica/tp_tgas.htm [3] Concepto y definición Net, junio 27, 2015 [Online]. Link: http://conceptodefinicion.de/categoria/general/ [4] E+ Educe Plus, sf. [Online]. http://www.educaplus.org/gases/ley_boyle.html
Link:
[5] J. A. Jimenez, C.Guitierrez, J. Barbosa, “Procesos y ciclos termodinámicos”, Termodinámica, 1st ed, Grupo editorial México,
México, 2014. [6] Marcelo Rock, Dismember 15, 2011, [Online]. https://es.scribd.com/doc/75815480/Termometro-de-gas
Link:
J. S. Tinillo Tapia nacido el 14 de diciembre de 1997 en la ciudad de Latacunga, Ecuador. Tuve mis estudios primarios y secundarios en la Unidad Educativa FAE N°5 perteneciente a mi ciudad de origen. Ingrese a la Escuela Politécnica Nacional para seguir mis estudios en la Facultad de Ingeniería Mecánica. Actualmente me encuentre en el segundo semestre de mi carrera y espero continuar hasta alcanzar muchos objetivos.
