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.
Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas
T ar (°C)
São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Média
diária
(ex S.L. Paraitinga,
SP)
Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas
T ar (°C)
São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Média
diária
(ex S.L. Paraitinga,
SP)
T ar (°C)
30/01 a 03/02/2008
Média
horária
Temperatura máxima
e mínima diária
Exemplo de Temperatura do ar (em oC) em diferentes escalas
São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Média
diária
(ex S.L. Paraitinga,
SP)
30/01 a 03/02/2008
Média
horária
19/12/2009
Medidas a cada
1 s (sensor
rápido)
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
Século 16
1592 Galileo Galilei (Itália)
inventa o termômetro
rudimentar de água
Termoscópio de Galileo
esfera conectada a tubo de vidro oco com escala
submergidos sobre um reservatório aberto (alcool
colorido)
(aberto, sensível à pressão atmosférica)
a esfera é aquecida, o ar borbulha no álcool e
escapa;
ao resfriar a esfera, a água sobe pelo tubo
Século 17
1612 Santorio Santorio (Italia)
Primeiro termômetro: termoscópio com uma escala de medida.
pioneiro em métodos quantitativos à medicina
Torricelli (1641) : primeiro termômetro lacrado (não se altera com pressão atmosférica)
com álcool
Ferdinando II (Itália) : monta 1a rede de termômetros nas cidades da Itália (1654)
Seculo 18
Daniel Gabriel Fahrenheit
(1686-1736)
inventor do termômetro
científico
1714 termômetro de
mercúrio
1724 escala de temperatura
Fahrenheit
Anders Celsius (1701
- 1744)
1742 proposta de
escala de
temperatura
centígrada
1948 escala Celsius
oficialmente adotada
Escalas de temperatura e
Conversão
Classes de Termômetros
1. de expansão térmica
de bulbo (líquido)
bimetálico
2. elétricos
resistência
termistor
termopar
3. de radiação
infravermelho
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Termômetro de bulbo
de líquido em vidro (ex. mercúrio, álcool)
estações meteorológicas convencionais
medicina
•
•
Tubo de vidro
Tubo capilar
Escala
princípio de calibração : 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 (notas de aula)
bulbo
escalas Celsius e Fahrenheit
1. mistura
em
equilibrio de
gelo + água
líquida + sal
(cloreto de
amônia)
2. água
líquida
com gelo
iminente
(32 oF)
temperatura
de ebulição da
água
(212 oF)
3. temperatura
do corpo
humano (boca,
axila) (96 oF)
212 – 32 =
180
unidades !
(0 oF)
Conversão
de Fahrenheit
para Celsius
variação de 1 oC = variação 1 K
≈ variação 2 oF
C = (F − 32) × 5⁄9
Dica:
16º C ≈ 61º F
Termômetro de expansão térmica
bimetálico
2 lâminas de metal justapostas, numa só peça de forma helicoidal
(uma extremidade fixa, e outra livre ligada a um ponteiro que gira sobre escala circular
graduada)
- Ex :
termômetro bimetalico com haste horizontal (ponteiro e caixa de aço)
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Termômetro bimetálico
com monitor digital
ex: Termohigrógrafo
Termômetros elétricos
1. de resistência
(RTD = resistance temperature detector)
2. semi-condutor (termistor)
3. termopar
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Termômetros elétricos
de resistência
ou RTD = resistance temperature detector
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Termômetros elétricos
de resistência
ou
RTD = resistance temperature detector
Resistencia (ordem 100 Ω) aumenta com T
RT = Ro (1 + aT + bT2)
(aproximada/e linear)
Eixo
resistencia
Fio material condutor
diâmetro 0,1 a 0,05 mm
encapsulado com resina
Materiais :
tungstênio, niquel, cobre,
platina (mais comum)
Eixo ddp (V)
fios de cobre nas ligações
podem alterar sua medida
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Fig: fonte (Brock
Laboratório de Clima e Biosfera
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2001)
Bainha
protetora
O sensor : fio
de platina em
espiral
cabos
Corpo de
ceramica
Termômetros elétricos
Termistor = thermal resistor
material semi-condutor
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Termistor
Resistencia varia com T exponencialmente
NTC = negativo coeficiente (R reduz com T)
PTC = positivo coeficiente (R aumenta com T)
RT = exp (a0 + a1/T + a3/T3), T(oC)
variação exponencial
Material semicondutor (sólidos de
condutividade elétrica intermediária
entre condutor e isolante, uma
subclasse das cerâmicas)
Termistor = óxidos de manganês,
níquel e cobalto misturados )
Resistência alta (~100 k Ω)
menos sensível às ligações de cobre.
Fonte : Brock (2001)
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Termistores
NTC : cerâmica com encapsulamentos
Os tipos miniaturas, de menor capacidade termica e maior prontidão são usados
na medidas de temperatura ambiente (onde há maior sensibilidade com a resistencia)
PTC Resistencia aumenta com temperatura após certa temperatura de transição
Pela resistência alta, tem variação grande e previsível quando um equipamento aquece
ou resfria, por isso são controladores de modo térmico.
operam abaixo de -100 ° e acima +600 ° F.
PTC para surto de corrente : c/ curto-circuito ou corrente elevada, transita para estado
de alta resistencia, limitando a corrente no circuito e mantendo-a em nivel normal.
-PTC de proteção de motores ou termostato
Termômetros elétricos
Termopar
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metal A sob gradiente de temperatura (T1 > T2)
gera ddp e corrente
i
efeito termoelétrico (difusão dos e- livres superficiais)
T1
T2
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para medir a ddp (V) requer outro metal B
V=?
Thomas Seebeck (1822)
Se T1 ≠ T2 : surge uma ddp diferencial entre A e B
contínuo fluxo termoeletrico
ddp : função da temperatura (efeito Seebeck)
~ 1 a 70 microV / oC
V
e é proporcional à diferença poder termoelétrico de A
relação B
Junta ou junção fria
chamada de referência
(precisa ser medida
independentemente)
Junta quente
incógnita
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Eixo de saída em mV ~linear
Eixo de erro,
em oC
Fonte: Brock (2001)
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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%
-
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Termômetro de radiação (infravermelho)
chamados Pirômetros (piro = fogo)
objetos em movimento, altas temperaturas
requer focalização no objeto (definir bem e não misturar alvos)
Sensor passivo (recebe o fluxo da energia
radiante, ou radiação, na banda do
infravermelho termal)
Mira: laterais
Imagem: lente superior
IV: lente inferior maior
Lei de Stefan-Boltzmann: irradiância = σ ε T4
mede o fluxo de energia no infravermelho
(irradiância) em W/m2;
σ = 5,67 . 10-8 W m-2 K-4
Prescrever ε; estima-se T
Acurácia (entre 0 a 50º C): ±1,5º C
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Corpo negro supõe ε = 1;
Corpo cinza (na prática todos são)
Tabela de emissividade (prescrição)
Razão Distância:Alvo (distance:spot) = D:S
[D:S] = 24:1 = 48/2 = 72/3
maior a distância do alvo, maior a área integrada
ótima
Teoria
- Qualquer matéria com temperatura acima de
zero absoluto emite infravermelho
- Emissividade: depende do tipo de material e
características da superfície do objeto (0 <= E
<= 1)
Alvo
Font
e de
calor
Font
e de
calor
Irradiâncias
I incidente
R refletida
T transmitida
E emitida
A absorvida
Para um corpo negro:
T=0
R = 0 (Lei de Kirchhof: energia absorv
que eleva a temperatura do co
é retransmitida, portanto R = 0
A=E
Para um corpo cinza (E < 1):
A
E = 1 -R
CORPO NEGRO
CORPO CINZA
CORPO NÃO CINZA
(E varia com o comprimento de
onda
Emissividades
Referências:
-Flir TG165 – Guia do Usuário
-Principles of Non-Contact Temperature Measurement - Raytek