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Trabajo de Metrología:
Temperatura
GUSTAVO APONTE
G12N03GUSTAVO
JUAN FELIPE GARZÓN G12N24FELIPE
MIGUEL RAMOS
G12N30MIGUEL
FELIPE NEIRA
G12N13JUANFELIPE
FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y
MAGNETISMO
2012-I
Definiciones
 Magnitud referida a nociones
de calor (caliente, tibio, frío)
 Magnitud escalar relacionada
con la energía interna de un
sistema
termodinámico,
definida por el principio cero
de
la
termodinámica.
Relacionada con la energía
cinética.
Energía cinética
 Energía asociada a los
movimientos
de
las
partículas del sistema,
sea
en
sentido
rotacional, trasnacional
o
en
forma
de
vibraciones.
 La temperatura de un
sistema aumenta de
manera
directamente
proporcional
a
su
energía cinética.
Energía cinética
 Sólidos: Vibraciones de las partículas en sus sitios
dentro del sólido.
 Gases ideales: Movimientos trasnacionales,
rotacionales y vibraciones de sus partículas.
Temperatura
La temperatura se define
como cuantificación de la
actividad molecular de la
materia.
Temperatura
Afecta:
 Estado de la materia.
 Volumen.
 Solubilidad.
 Presión de vapor.
 Color.
 Conductividad eléctrica.
 Velocidad de reacciones químicas.
Principio cero de la termodinámica
 Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico, con
un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B
estarán en equilibrio térmico entre sí.
 Ya que tanto los sistemas A, B, y C están todos en
equilibrio térmico, es razonable decir que comparten
un valor común de alguna propiedad física.
Llamamos a esta propiedad temperatura.
Principio cero de la termodinámica
 Este principio o ley cero, establece que existe una
determinada propiedad denominada temperatura
empírica θ, que es común para todos los estados
de equilibrio termodinámico que se encuentren en
equilibrio mutuo con uno dado.
Segunda ley de la termodinámica
 La entropía de todos los sistemas, o bien permanece
igual o bien aumenta con el tiempo.
 Esto se aplica al Universo entero como sistema
termodinámico.
Segunda ley de la termodinámica
 Máquina térmica: Dispositivo que permite
transformar calor en trabajo mecánico.
 El trabajo realizado por una máquina térmica
corresponde a la diferencia entre el calor que se le
suministra y el calor que sale de ella. Su eficiencia
equivale al trabajo que realiza dividido entre el
calor que se le suministra:
Segunda ley de la termodinámica
 La eficiencia depende sólo de Qi y de Qf. Ya
que Qi y Qf corresponden al calor transferido a las
temperaturas Ti y Tf, es razonable asumir que ambas
son funciones de la temperatura:
Segunda ley de la termodinámica
 Es posible determinar y utilizar una escala de
temperatura tal que:
 Se tiene que:
Segunda ley de la termodinámica
 El signo negativo indica la salida de calor del
sistema. Esta relación sugiere la existencia de
una función de estado S definida por:
 Reorganizando esta ecuación, se obtiene una
definición para la temperatura en términos de la
entropía y el calor.
Segunda ley de la termodinámica
 Para un sistema en que la entropía sea una función
de su energía interna E, su temperatura esta dada
por:
 La inversa de la temperatura del sistema es la razón
de cambio de su entropía con respecto a su energía.
Termómetros
 El instrumento de medición de la temperatura.
 Inicialmente se fabricaron usando materiales con un
elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al
aumentar la temperatura, su estiramiento era
fácilmente visible.
 El metal base que se utilizaba en este tipo de
termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un
tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
Termómetros
Breve cronología de los termómetros:
 1592: Galileo Galilei construye el termoscopio, que utiliza la
contracción del aire al enfriarse para hacer ascender agua por
un tubo.
 1612: Santorre Santorio da un uso médico al termómetro.
 1714: Daniel Gabriel Fahrenheit inventa el termómetro
de mercurio.
 1821: T.J. Seebeck inventa el termopar.
 1864: Henri Becquerel sugiere un pirómetro óptico.
 1885: Calender-Van Duesen inventa el sensor de temperatura
de resistencia de platino.
 1892: Henri-Louis Le Châtelier construye el primer pirómetro
óptico.
Termómetros
 Termómetro de mercurio. Tubo sellado hecho que
contiene mercurio, cuyo volumen cambia con la
temperatura de manera uniforme. Tiene una escala
graduada, que permite ver el cambio de volumen del
mismo y determinar la temperatura.
Termómetros
 Pirómetro. Instrumento capaz de medir
la temperatura de una sustancia sin necesidad de
estar en contacto con ella. Puede medir temperaturas
en un rango desde -50°C hasta 4000°C. Usado
mayoritariamente en la medida de temperatura de
metales incandescentes.
Termómetros
 Termómetro de lámina bimetálica. Formado por dos
láminas de metales de coeficientes de dilatación muy
distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto
en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor
de temperatura en el termohigrógrafo.
Termómetros
 Termómetro de gas. Pueden ser a presión constante
o a volumen constante. Este tipo de termómetros son
muy exactos y generalmente son utilizados para la
calibración de otros termómetros.
Termómetros
 Termómetro de resistencia. Consiste en un alambre
de algún metal (como el platino) cuya resistencia
eléctrica cambia cuando varia la temperatura.
Termómetros
 Termopar (o termocupla). Dispositivo utilizado para
medir temperaturas basado en la fuerza
electromotriz que se genera al calentar
la soldadura de dos metales distintos.
Termómetros
 Termistor. Sensor resistivo de temperatura. Su
funcionamiento se basa en la variación de
la resistividad que presenta un semiconductor con la
temperatura, de acuerdo al proceso inverso del efecto
Joule donde el calor puede producir corriente eléctrica.
Cuando los extremos de un alambre conductor que forma
parte de un circuito se hallan a diferentes temperaturas,
circula por él una pequeñísima corriente eléctrica.
 El término termistor proviene de Thermally Sensitive
Resistor. Existen dos tipos de termistor: NTC y PTC.
 Son elementos PTC los que la resistencia aumenta
cuando aumenta la temperatura, y elementos NTC los
que la resistencia disminuye cuando aumenta la
temperatura.
Termómetros
 Termómetros digitales: son aquellos que, valiéndose
de dispositivos transductores utilizan luego circuitos
electrónicos para convertir en números las pequeñas
variaciones de tensión obtenidas, mostrando
finalmente la temperatura en un visualizador.
Escalas de temperatura
 Las escalas de medición de la temperatura se dividen
fundamentalmente en dos tipos, relativas y
absolutas. Los valores que puede adoptar la
temperatura en cualquier escala de medición, no
tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo:
el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas
se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras
formas de definirse.
Escalas de temperatura
Escalas relativas:
 Celsius
 Fahrenheit
Escalas absolutas:
 Kelvin
 Rankine (en desuso).
Escalas de temperatura
 Escala Celsius.
Fue creada por Anders Celsius, es la
escala más usada en la mayoría de
los países del mundo, denominada
también como la centígrada (°C),
En esta escala, el cero (0 °C) y los
cien (100 °C) grados corresponden
respectivamente a los puntos de
congelación y de ebullición del agua,
ambos a la presión de 1 atmósfera.
Escalas de temperatura
 Escala
Fahrenheit (°F),
propuesta
por
Daniel
Gabriel Fahrenheit. El grado
Fahrenheit es la unidad de
temperatura en el sistema
anglosajón de unidades,
utilizado
principalmente
en
Estados
Unidos.
Su relación con la escala
Celsius es:
 °F = °C × 9/5 + 32
 °C = (°F − 32) × 5/9
Escalas de temperatura
 Fue
creada por Lord Kelvin
Thompson .
 La Escala Kelvin (TK) o temperatura
absoluta, es la escala de temperatura
del
Sistema
Internacional
de
Unidades.
 Aunque la magnitud de una unidad
Kelvin (K) coincide con un grado
Celsius (°C), el cero absoluto se
encuentra a -273,15 °C y es
inalcanzable según el tercer principio
de la termodinámica.
 Su relación con la escala Celsius es:
 TK = °C + 273,15
Calibración de Termómetros
Aunque para la medición de temperatura, se dejan como supuestos
sistemas termodinámicos perfectos y para estos se establecen una escala
que los represente como la escala Kelvin (K), conteniendo esta en valor cero
de temperatura definido de forma teórica. Se pueden obtener valores cerca
de lo ideal utilizando como referencia la Escala de Temperatura de 1990
(ITS-90) que permite el usa de la escala Celsius de manera al terna por su
similitud a la Kelvin.
Calibración de Termómetros
 La forma más sencilla
y confiable de calibrar
termómetros es
utilizando los puntos
fijos, sin embargo debe
tenerse cuidado para
tener una verdadera
trazabilidad, ya que se
tiene una limitante en
cuanto al rango entre
-180ºC a 1000ºC en
que se encuentra la
tabla.
PUNTO FIJO
Argón
Mercurio
Agua
Galio
Indio
Estaño
Zinc
Aluminio
Plata
Oro



CARACTERÍSTI
CA
FÍSICA
Triple punto
Triple punto
Triple punto
Punto de fusión
Punto
solidificación
Punto
solidificación
Punto
solidificación
Punto
solidificación
Punto
solidificación
Punto
solidificación
-189,3442
-38,8344
0.010
29,7646
TERMÓMETRO
INTERPOLACIO
N
SPRT
SPRT
SPRT
SPRT
156,5985
SPRT
231,928
SPRT
419,527
SPRT
660,323
SPRT
961,78
SPRT
1064,18
RT
TEMPERATURA
°C
SPRT: Termómetro estándar de resistencia de platino
RT: Termómetro de radiación
Triple punto: Estados sólido, líquido y gaseoso en
equilibrio.
Calibración por puntos fijos
 Para calibrar usando puntos
fijos, es posible usar unos
instrumentos llamados celdas
de puntos fijos que poseen gran
confiabilidad dentro de las
calibraciones industriales, este
tipo de celdas existe una gran
variedad que contienen
sustancias de alta pureza como
celdas primarias de cuarzovidrio, Celdas de Agua y Celdas
Delgadas de Metal con pureza
igual a 99.99995%, de
aceptación internacional
disponibles en Indio, Estaño y
aluminio, con incertidumbres
de hasta 0.07K.
CENAM:
Centro Nacional de Metrología de México
 Como un ejemplo de una institución que utiliza celdas de punto fijo
como patrón nacional tenemos al CENAM, que bajo el acuerdo EIT-90
asigna valores de temperatura a 17 estados de equilibrio de 15
sustancias puras, denominados puntos fijos, especifica los termómetros
patrón y define las ecuaciones de interpolación. La EIT-90 comprende
el intervalo de 0,65K hasta la temperatura más alta que pueda
obtenerse. Los termómetros usados para interpolación son: de gas en el
intervalo de 0,65 K a 13,8033 K; de resistencia de platino, en el
intervalo de 13,8033 K hasta 1234,93 K; y de radiación, para medir
temperaturas mayores a 1234,93 K.
CENAM:
Centro Nacional de Metrología de México
 Las incertidumbres que se maneja
en esta institución en los puntos
fijos están determinadas por la
reproducibilidad de los mismos. A
continuación se listan las
incertidumbres correspondientes
con un factor de cobertura de k=2,
con un nivel de confianza de
aproximadamente 95%.
La reproducción del kelvin se
mantiene mediante un
conjunto caracterizado de 17
celdas de punto triple de agua.
El CENAM reproduce la EIT90 en el intervalo de 83,8058 K
hasta 1357,77 K mediante la
celdas de los puntos fijos de Ar,
Hg, H2O, Ga, In, Sn, Zn, Al y
Ag; el uso de termómetros
estándar de resistencia de
platino de tallo largo y
termómetros de radiación y las
fórmulas de interpolación de la
EIT-90.
CENAM:
Centro Nacional de Metrología de México
 Citamos a esta
institución, puesto que
en el CENAM cuentan
con las celdas de punto
comparadas con
patrones internacionales,
la Escala de Temperatura
del CENAM es no
solamente el Patrón
Nacional, sino un patrón
primario, por lo que
constituye el origen de la
trazabilidad del país.
 Sus celdas han sido
comparadas con las
correspondientes de
Alemania, Argentina,
BIPM, Brasil, Canadá,
Colombia, China,
EU,Italia, Jamaica,
Panamá, Perú, Taiwan,
Turquía y Uruguay
Calibración por comparación
 El método de calibración por
comparación es el más utilizado. Implica
comparar un termómetro inferior con
otro superior. Pueden ser del mismo
tipo, pero el superior debe estar
calibrado a mayor precisión. La
comparación puede ser hecha en un
baño líquido donde el volumen sea
suficiente para garantizar la misma
temperatura en todo el volumen. Este
volumen isotérmico debe ser suficiente
para contener los dos termómetros y que
ambos estén a la temperatura del baño.
Sensores de Temperatura
 Los sensores en generales son dispositivos capaces
de detectar magnitudes físicas como temperatura y
humedad. Para poder conocer lo que los sensores
leen, estos transforman las magnitudes medidas en
señales eléctricas, que después de ejecutarla
muestran los resultados obtenidos de la medición.
Sesnsor LM35
 Precisión de ~1,5ºC (peor
caso), 0.5ºC garantizados
a 25ºC.
 Baja
corriente
de
alimentación (60uA).
 Rango
entre -55º y
150ºC.
 Bajo costo.
Sensor Dallas DS18S20
 Rango entre -55°C y +125°C.
 Precisión de 0.5°C en un rango entre
–10°C y +85°C.
 Opera sin una fuente de poder externa.
Experimento
Se
realiza un ensayo de
medición de temperatura con
cada sensor, mostrando la
medición y variación de esta a lo
largo del tiempo.
Resultados – Gráficas
ML35
Dallas DS18S20
Tiempo vs Temperatura
Tiempo vs Temperatura
20
20
19.5
Temperatura (°C)
Temperatura (°C)
19.8
19
18.5
19.6
19.4
19.2
19
18.8
18.6
18.4
18.2
18
18
0
5
10
15
Tiempo (min)
20
25
0
5
10
15
Tiempo (min)
20
25
Resultados – Tabla
Sensor LM35
Sensor Dallas
DS18S20
Diferencia
Máximo
(°C)
18.54
19.5
Mínimo
(°C)
18.06
19.5
Moda
(°C)
18.06
19.5
Media
(°C)
18.252
19.5
Desviación
Estándar (°C)
0.235151015
0
1.44
0.96
1.44
1.248
0.235151015
Análisis de resultados
 El sensor Dallas es mucho mas preciso que el LM35, lo cual
se ve reflejado en las gráficas, ya que sus mediciones son
constante a lo largo del tiempo, mientras que las del LM35
no.
 La precisión del sensor también se ve reflejada en los datos
estadísticos , como la desviación estándar que es de cero, lo
cual implica que ningún dato se aleja de la media, es decir
todos los datos son iguales a lo largo del tiempo, lo que no
ocurre con el sensor LM35, tal y como se enuncio
anteriormente.
Conclusiones
 Si bien se sabía desde un comienzo que la metrología
es de suma importancia para un gran número de
profesiones, este trabajo, enfocándose a la
temperatura, permitió explicar como se calibran los
equipos, que unidades de medición se manejan y
como funcionan algunas de los sensores mas
comunes.
 Además, se pudo ver como los sensores, que
deberían marcar la misma temperatura, presentan
una diferencia de mas de un grado Centígrado, lo
cual muestra una vez más lo importante que es la
metrología, ya que si se tomara el sensor ML35 y se
tomaran datos con este, tanto los datos como las
conclusiones obtenidas a partir de este no tendría
ninguna validez, ya que el equipo no esta calibrado y
por tanto arrojaría datos poco confiables.
Bibliografía
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

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Dave Ayres, Anne Blundell. «Isotech China.» 2011. Calibración
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