AULA _Termometria - Departamento de Ciências Atmosféricas

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AULA _Termometria
Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO
ACA 221 Graduação
Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP
Responsável: Prof. Humberto Ribeiro da Rocha
Material apresentado exclusivamente aos alunos da disciplina, com conteúdo referenciado
da literatura e disponível na www – NÃO CIRCULAR
Temperatura
O TERMÔMETRO
• Grego : therme = calor
• Latim :metrum = medida
• instrumento que mede a temperatura
de um sistema.
Primeiros registros históricos de medir temperatura
~150 DC
Galeno (médico grego): oito níveis
“temperamento” ou estado de saúde dos pacientes

4
o
de
de calor (acima do neutro): água fervendo
Neutro (resultante da mistura água fervente + gelo)
4
~1300
latitudes
o
de calor (abaixo do neutro) : água na fase gelo
Harme
de
Berna
4
o
de calor: latitude equatorial
4
o
de frio : latitude dos polos
(médico)
:
base
nas
Itália (Renascimento)
Século 16
– criação do termômetro moderno
1592 - Galileo Galilei inventa o termômetro
rudimentar de água
Termoscópio de Galileo
Termoscópio de Galileo
do grego skopeo = "vejo“
- esfera conectada um tubo de vidro
(ocos)
- submergidos sobre um reservatório
aberto (com alcool colorido)
- a esfera é aquecida, o ar borbulha no
álcool
- resfriada a esfera, a água subia pelo
tubo, marcada em uma escala
(aberto, sensível à pressão atmosférica)
1612 –Santorio Santorio (Italia)
Primeiro termômetro: termoscópio com uma escala de medida.
Pioneiro em aplicar métodos quantitativos à medicina (com termoscópios)
• Século 17
• Ferdinando II (Itália)
• - lança o primeiro termômetro lacrado (não se altera com pressão atmosférica)
com álcool (1641), conceito de Torricelli
• – 1a rede de termômetros nas cidades da Itália (1654)
• Robert Hooke (London Royal Society)
– Establece os princípios de comparação : príncipio de solidificação da água
•
• Século 18
• 1724 Daniel Fahrenheit
• - primeiro termômetro moderno: bulbo de mercúrio.
• - primeiro a fixar o ponto zero :
– mistura de gelo e sal (32 GRAUS)
– Temperatura do corpo humano (96 GRAUS)
1709 termômetro de alcool (já existia)
1714 termômetro de mercúrio
Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736)
físico alemão
inventor do termômetro científico
1724 escala de temperatura (Fahrenheit)
Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação
Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Histórico da escala Fahrenheit
fusão da mistura gelo + sal
(cloreto de amônia)
temperatura de equilíbrio do corpo humano
(=98,6 oF),
(=32 oF)
ou do cavalo (= 100oF)
Dimensão do grau:
1 °C = 9/5°F ~ 2°F
Conversão
de Fahrenheit
para Celsius
C = (F − 32) × 5⁄9
Anders Celsius (1701 - 1744)
astrônomo sueco
1742 proposta de escala de temperatura centígrada
1948 escala Celsius oficialmente adotada
Escalas e unidades de temperatura
Termômetros de expansão térmica
de líquido em vidro
ex : bulbo de mercúrio
bulbo de álcool (etanol ou toluol)
de expansão térmica
ex : placa bi-metálica
Termômetro de expansão térmica: líquido
em vidro
- elementos (notas de aula)
- princípio de calibração dos de termômetro de bulbo : a
temperatura verdadeira resulta da expansão relativa entre
a coluna de mercúrio e a coluna do tubo de vidro
imersão parcial : aferido com bulbo e parte da coluna no
fluido
Imersão total : aferidos com bulbo e toda coluna imersos
no fluido (a maioria dos termômetros são de imersão total)
- Erros frequentes
de aula)
Notas(notas
de aula Disciplina
ACA 221
Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação
Termômetros de bulbo
- de líquido em vidro (ex.
mercúrio, álcool)
- - estações meteorológicas
convencionais
- - medicina
Termômetro de expansão térmica
bimetálico
Termômetro bimetálico
- 2 lâminas de metal justapostas, numa só
peça de forma helicoidal
(uma extremidade fixa e outra ligada a um
ponteiro que gira sobre uma escala circular
graduada)
- Ex :
com ponteiro e caixa de aço
com monitor digital
ex: Termohigrógrafo
Termômetros elétricos
1. de resistência
(RTD = resistance temperature detector)
2. semi-condutor (termistor)
3. termopar
de resistência
ou RTD = resistance temperature detector
Termômetros de resistência
Resistencia (ordem 100 Ω) aumenta com T
RT = Ro (1 + aT + bT2)
, T(oC)
(aproximada/e lineares)
Fio material condutor
diâmetro 0,1 a 0,05 mm
encapsulado com resina
Materiais :
tungstênio, niquel, cobre,
platina (mais comum)
fios de cobre nas ligações
podem alterar sua medida
Fig: fonte (Brock 2001)
Bainha
protetora
O sensor : fio
de platina em
espiral
cabos
Corpo de
ceramica
Termistor = thermal resistor
material semi-condutor
Termômetro semi-condutor (termistor)
Resistencia (geralmente) diminui com T, exponencialmente
Sensibilidade se reduz com aumento da temperatura
RT = exp (a0 + a1/T + a3/T3)
, T(oC)
Material semicondutor
(óxidos de manganês, níquel e
cobalto misturados )
Resistência alta (~100 k Ω)
menos sensível às ligações de
cobre
uso mais difundido
Fonte : Brock (2001)
Termopar
metal A sob gradiente de temperatura (T1 > T2)
gera ddp e corrente
i
efeito termoelétrico (difusão dos e- livres superficiais)
T1
T2
para medir a ddp (V) requer outro metal B
V=?
Se T1 = T2 e- movem-se temporariamente
até que V = 0
T1
V=0
Thomas Seebeck (1822)
Se T1 < T2 : contínuo fluxo termoeletrico em A e em B
surge uma ddp diferencial entre A e B
ddp : função da temperatura (efeito Seebeck)
~ 1 a 70 microV / oC
V
proporcional: diferença poder termoelétrico de A relação B
(T1 – T2)
Junta ou junção fria
chamada de referência
(precisa ser medida
independentemente)
Junta quente
incógnita
Output
(~linear)
Erro
Fonte: Brock (2001)
Termopar : poder termoelétrico varia não-linearmente com
material
temperatura das junções
Limites de Erro
Tipo de
Termopar
Faixa de
Temperatura
T
0 a 370ºC
J
0 a 760ºC
E
0 a 870ºC
K
0 a 1260ºC
SeR
0 a 1480ºC
B
Padrão
Especial
±1ºC ou
±0,5ºC ou
±0,75%
0,4%
±2,2ºC ou
±1,1ºC ou
±0,75%
±0,4%
±1,7ºC ou
±1ºC ou
±0,5%
±0,4%
±2,2ºC ou
±1,1ºC ou
±0,75%
±0,4%
±1,5ºC ou
±0,6ºC ou
±0,25%
±0,1%
870 a 1700ºC
±0,5%
± 0,25%
T
-200 a 0ºC
±1ºC ou ±1,5%
-
E
-200 a 0ºC
±1,7ºC ou ±1%
-
K
-200 a 0ºC
±2,2ºC ou ±2%
-
Termômetros de radiação
chamados de Pirômetros
converte radiação infra-vermelha em Temperatura
objetos em movimento, altas temperaturas
- Requer focalização no objeto (não misturar alvos)
- erros com superfícies refletoras (emissividade < 1)