Mecânica dos Fluidos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
Instituto de Engenharia Mecânica

Ensaio nº 1: Medidores de Temperatura

Disciplina: EME 503P

Curso: Engenharia Mecânica

Aluno: Bruno Porfírio Couto e Henrique T. da C. dos Santos

Matrícula: 2016005351 e 2016011205

Professor: Fagner Luís Goulart Dias

Turma: T01

Itajubá, Março de 2018

1. Introdução

O conceito de temperatura é de difícil definição. Sendo entendida usualmente como “quantidade de calor”, a temperatura mede a energia recebida e irradiada pelo corpo ou meio. O aumento da temperatura vem com o aumento da energia e pode ser relacionado à energia cinética pela igualdade: ; onde k é a constante de Boltzmann. [pic 2]

Além dessa variação energética, o aumento da temperatura ocasiona a variação em algumas das propriedades do material, como o estado físico, o estado químico, as dimensões, as propriedades elétricas e as propriedades radioativas. Alterações que serão utilizadas para o cálculo e medição da temperatura do corpo e do meio.

A medição da temperatura faz-se importante com o intuito de conservar os aparelhos e máquinas na indústria, além de controlar processos e atividades em laboratórios, por exemplo. É importante assegurar que a temperatura de operação corresponda à ideal para aquele material e que, ainda, não ofereça riscos ao operador.

Exemplos de processos que dependem diretamente da temperatura para uma boa eficácia: processos de esterilização, tratamentos térmicos de metais, refino de aço, conservação de alimentos etc.

Para determinar a temperatura da operação existem diversos tipos de medidores, sendo principalmente divididos em quatro grandes grupos: Por expansão, Por mudança de estado físico, Por efeito elétrico e Por radiação. Tendo cada um dos métodos sua aplicação, vantagens e desvantagens a seguir apresentados.

 

1. Medição da temperatura

        

Tipos de medidores de temperatura:

1. Por expansão

Devido a variação de temperatura, os corpos mudam o seu volume ocupado no espaço, sejam gases, sólidos ou líquidos, conforme uma lei específica. Baseada nessa alteração volumétrica, a medição por expansão funciona, sendo dividida conforme o estado físico do material, como melhor explicado a seguir:

1. De sólidos (Termômetros Bimetálicos)

Os metais quando expostos a variações de temperatura têm seu volume alterado pela sua dilatação volumétrica que é calculada por: dV=V0 * γ * dT (onde dV é a variação do volume, V0 o volume inicial, γ o coeficiente de dilatação volumétrica do material e dT a variação de temperatura). Tendo em vista que cada material tem seu γ específico, a um mesmo dT, a dV é diferente de acordo com o metal usado, sendo esse o princípio utilizado para a medição de temperatura.

        Os termômetros bimetálicos consistem em duas tiras de metais diferentes soldados a uma temperatura chamada de temperatura de soldagem. Por serem metais diferentes, o coeficiente de dilatação também varia, assim que com a mudança de temperatura pode-se notar um encurvamento da estrutura soldada. Caso a temperatura de medição seja superior à de soldagem, o encurvamento é na direção do metal com o menor coeficiente de dilatação, enquanto caso a temperatura do meio seja inferior à temperatura de soldagem, o encurvamento é na outra direção.

        Para a marcação da temperatura o raio da curvatura é utilizado, seguindo a seguinte fórmula: , onde r é o raio da curvatura, s é a espessura da tira, a1 e a2 os coeficientes de dilatação e t a temperatura de medição.[pic 3]

A faixa de medição desses termômetros é de -74°C a 540°C, com uma acurácia de 0,3 a 14°C. A vantagem da utilização deste tipo de medidor é a possibilidade de encontrá-lo em diferentes formatos, sendo usados em casos cuja geométrica da peça dificulte a medição. Os preços variam de 50 reais para os utilizados domesticamente até mais de 300 reais para mais precisos

        

1. De líquidos

        Sendo um dos modelos mais comuns, este tipo de medidor consiste em um grande bulbo conectado a um tubo fino graduado que marca a temperatura pela expansão do líquido em seu interior. Os líquidos mais comuns a serem usados são mercúrio e álcool.

        Os termômetros com mercúrio são comumente empregados em temperaturas inferiores a 340°C, devido ao ponto de ebulição do metal (357°C). No entanto, com o acréscimo de CO2e N2a uma alta pressão, o termômetro pode ser usado até 560°C. A acurácia deste medidor é de 0,1°C. Caso seja necessária uma maior precisão, os chamados Termômetros de Beckmann podem ser empregados, porém, apesar da boa precisão (0.005°C), a faixa de medição é reduzida, sendo de 5 a 6°C apenas.

        Os valores deste medidor variam muito, tendo em vista as suas diversas aplicações, desde laboratórios até o uso doméstico. Os profissionais podem chegar a custar mais de 250 reais, enquanto os usados na residência podem ser encontrados por até 6 reais nas farmácias em geral.

        A principal desvantagem deste medidor é o uso do mercúrio, um metal pesado e tóxico para os seres humanos. A tendência é que no futuro esses desapareçam do mercado por essa razão.

1. De gases

Os gases, quando estudados em um recipiente a um volume constante, tem sua pressão aumentada conforme a temperatura aumenta, de acordo com a Lei de Clapeyron PV=nRT (onde Pé a pressão do gás, V é o volume do gás, n é o número de mols da amostra, R é a constante de Clapeyron e T é a temperatura do gás).

A medição da temperatura por esse método é feita, portanto, medindo a pressão do gás no recipiente, transformando-a em variação de temperatura.

  

1. Por mudança de estado físico

        Assim como o a gás, este método utiliza-se da variação da pressão interna no container para determinar a temperatura do meio presente. Entretanto, inicialmente, neste tipo de medidor, o container é preenchido com metade de seu volume de gás e metade de líquido. Conforme a temperatura é elevada, mais moléculas passam para o estado gasoso, elevando a pressão interna.