UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MINAS GERAIS - UEMG
CAMPUS DIVINÓPOLIS
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
TERMÔMETROS, TERMOPARES, TERMORESISTÊNCIA
Bruna Miranda Borges
Carla Faria Souza
Juliano Gontijo Duca
Lidiane Gontijo de Melo
Luís Eduardo Estevão
Márcio Aurélio Pereira
Paloma Goulart
Tarcila Aparecida de Oliveira
Divinópolis/MG
Agosto de 2015
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MINAS GERAIS - UEMG
CAMPUS DIVINÓPOLIS
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
TERMÔMETROS, TERMOPARES, TERMORESISTÊNCIA
Bruna Miranda Borges
Carla Faria Souza
Juliano Gontijo Duca
Lidiane Gontijo de Melo
Luís Eduardo Estevão
Márcio Aurélio Pereira
Paloma Goulart
Tarcila Aparecida de Oliveira
Trabalho
Teodoro
apresentado
Gontijo,
ao
prof.
Jomar
responsável
pela
disciplina Engenharia de Automação de
Processos Produtivos II, no 8º período B,
para obtenção parcial de créditos.
Divinópolis/MG
Agosto de 2015
1
FIGURAS
1.
ESCALAS TERMOMÉTRICAS .........................................................
12
2.
MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO DA ÁGUA ...............................
14
3.
TERMÔMETRO DE MERCURIO COM RECIPIENTE DE VIDRO
16
4.
TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA .................................................
18
2
TABELAS
1.
ALGUMAS CONVERSÕES DE UNIDADEES DE TEMPERATURA 13
2.
ITPS-68 .................................................................................................
14
3.
COMPARAÇÃO ENTER ITPS-68 E ITPS-90 ...................................
14
4.
LÍQUIDOS DE TERMÔMETRO ........................................................
16
5.
FAIXA DE UTILIZAÇÃO DOS LÍQUIDOS DE TERMÔMETROS
16
6.
GAMA DE MEDIDA GERAL DE TERMORESISTÊNCIAS ...........
19
3
SUMÁRIO
RESUMO............................................................................................
05
1. INTRODUÇÃO .........................................................................................
06
2. ESTADOS DA MATÉRIA E TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA .........
07
2.1 Condução ..............................................................................................
07
2.2 Convecção ............................................................................................
07
2.3 Radiação ...............................................................................................
08
3. ESCALAS DE TEMPERATURA .............................................................
10
3.1. Escala Internacional de Temperatura ..................................................
13
4. TERMÔMETROS .....................................................................................
15
4.1. Termômetros líquidos..........................................................................
15
4.1.1 Termômetros de dilatação de líquido em recipientes de vidro ...
15
4.1.2 Termômetros de dilatação de líquido em recipientes metálicos.
16
4.2. Termômetros sólidos ...........................................................................
17
4.2.1 Características de construção .......................................................
17
4.3. Termômetros de resistência .................................................................
17
4.3.1 Gama de medidas .........................................................................
19
5. EFEITOS TERMOELÉTRICOS ................................................................
20
5.1. Efeito Seebeck .....................................................................................
20
5.2. Efeito Peltier ........................................................................................
20
5.3. Efeito Thomson ...................................................................................
21
5.4. Efeito Volta .........................................................................................
21
6. LEI
DO
CIRCUITO
HOMOGENEO,
METAIS
INTERMEDIÁRIOS
TEMPERATURAS INTERMEDIÁRIAS .................................................
22
6.1. Lei do circuito homogêneo ..................................................................
22
6.2. Metais intermediários ..........................................................................
22
6.3. Temperaturas intermediárias ...............................................................
22
7. CONCLUSÃO ............................................................................................
24
REFERÊNCIAS ..................................................................................
25
E
4
RESUMO
A temperatura é uma das variáveis mais usadas na indústria de controle de processos
nos seus mais diversos segmentos e ainda vale lembrar que a temperatura é uma
grandeza básica para a medição e controle de vazão, densidade, etc. Comentaremos
neste artigo os estados da matéria e transferência de energia, as escalas de temperatura,
os tipos de termômetros, os efeitos termoelétricos e as leis do circuito homogêneo,
metais intermediários e temperaturas intermediárias.
Palavras chave: Temperatura, Termopar, Termômetro.
5
1.
INTRODUÇÃO
A temperatura é uma importante grandeza a ser medida em muitos processos, pois é um
fator limite para muitas operações
Pode-se pensar em temperatura como sendo o potencial que causa o fluxo de calor de
um ponto de mais alta temperatura para um ponto de mais baixa temperatura
A medição correta de temperatura é complexa, por ser facilmente influenciada por
fatores externos aos dispositivos de medida ou pela inércia térmica inerente ao sistema.
A temperatura é quantificada através de escalas padronizadas. E pode ser medida com o
auxilio de diversos instrumentos.
O presente artigo tem o objetivo de esclarecer quais são essa escalas de temperatura,
quais são esses instrumentos de medição e como eles funcionam, o que são os efeitos
Seebeck, Peltier, Thompson e Volta, e outros assuntos relacionados a medição de
temperatura.
6
2.
ESTADOS DA MATÉRIA E TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA
Na década de 1920, Perrin desenvolveu um modelo de transferência de energia baseado
na ressonância entre os dipolos elétricos do doador e do receptor, onde as moléculas
idênticas apresentavam exatamente a mesma frequência de oscilação, o que levaram a
calcular um raio para transferência de energia exageradamente grande, da ordem de
centenas e, às vezes, de milhares de Ångströms, até o final do século XVI, quando foi
desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, os sentidos do nosso
corpo foram os únicos elementos de que dispunham os homens para dizer se certo corpo
estava mais quente ou frio do que outro, apesar da inadequação destes sentidos sob
ponto de vista científico.
A energia é um assunto de grande importância não apenas nos meios científicos, mas
também para a sociedade em geral, quando um corpo cede calor para outro corpo,
podemos perceber que este aumenta a sua temperatura e, consequentemente, o calor é o
processo de transferência de energia de um sistema, a uma temperatura mais alta, para
outro, a uma temperatura mais baixa, quanto maior a diferença de calor entre os dois
sistemas, maior a quantidade de calor transferida. A formação e a ruptura de ligações
envolvem a interação da energia com a matéria, assim como na mudança de estados
físicos, as transformações da matéria ocorrem com absorção ou liberação de energia.
Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas e moléculas que se
encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas
mais quente se apresenta o corpo e quanto mais lento mais frio se apresenta o corpo,
portanto define-se temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas. Na
prática a temperatura é representada por uma escala numérica, onde, quanto maior o seu
valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo. Calor é energia em trânsito
ou a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da
diferença de temperatura.
2.1 Condução
A condução térmica, também chamada de difusão térmica, se define como a propagação
de calor no interior de um corpo aquecido irregularmente ou entre corpos distintos que
estejam em contato direto. Este processo ocorre através da transferência de energia
térmica entre átomos e/ou moléculas vizinhas em uma estrutura material
7
predominantemente sólida devido a um gradiente de temperatura (diferença de
temperatura entre as regiões do corpo). Tomando como exemplo uma barra de ferro, ao
esquentarmos uma de suas extremidades enquanto a seguramos através de outra
extremidade, notaremos que a barra irá esquentar desde o ponto onde o fogo foi
aplicado até a região segurada e demais. Este efeito de transmissão do calor é de fato a
condução térmica e necessita de um meio material para ocorrer.
Os diversos tipos de materiais existentes apresentam condutibilidade térmica, que
determina o grau de facilidade com que os mesmos podem transferir calor através de
sua estrutura, esta propriedade se define como a quantidade de calor por unidade de
tempo que atravessa uma camada de espessura e de área do material por unidade de
diferença de temperatura entre as suas duas faces. Os materiais mais densos apresentam
maior condutibilidade térmica, pois possuem mais moléculas para propagar o calor por
sua área. Portanto, materiais metálicos possuem condutividade térmica mais expressiva
do que, por exemplo, materiais provenientes da borracha, polímeros, dentre outros. É
importante ressaltar que a condutibilidade térmica no vácuo é nula.
A condutibilidade térmica permite determinar a concentração de um gás em uma
mistura gasosa, isto permite o gerenciamento de processos fabris que por ventura
utilizem misturas de gases onde a quantidade do mesmo deve obedecer às
especificações.
2.2 Convecção
Denomina-se convecção térmica o processo de transferência de calor que ocorre através
da movimentação de um material. Este fenômeno apresenta-se como propagação do
calor através da movimentação de massas fluidas de densidades diferentes. Como
principal exemplo, pode-se citar o ar que se encontra nas planícies que é aquecido pelo
sol e pelo solo, ficando assim mais leve e subindo. As massas que se encontram nas
montanhas, tomam o lugar vago do ar aquecido e a massa aquecida de desloca até os
lugares mais altos, originando os ventos.
2.3 Radiação
Toda superfície que se encontra a uma temperatura maior que zero Kelvin emite energia
na forma de ondas eletromagnéticas que se propagam na velocidade da luz,
aproximadamente 300000 km/s. Estas ondas são constituídas por um componente
8
campo elétrico e outro campo magnético, perpendiculares entre si e ambas as ondas
oscilando em uma determinada frequência. As ondas eletromagnéticas são
caracterizadas pelo seu cumprimento e frequência. Em ordem crescente de energia, o
espectro inclui ondas de rádio, radiação infravermelha, luz visível, luz ultravioleta,
raios-x e gama. A radiação infravermelha compreende raios de cumprimentos de onda
maiores, portanto, possuem ação calórica.
O calor que sentimos ao aproximarmos a mão de uma lâmpada incandescente se deve à
radiação infravermelha emitida pelo filamento e absorvida pela mão. O calor que chega
à Terra advinda do sol, também é um exemplo de radiação térmica, a energia é
conduzida através das ondas eletromagnéticas emitidas pelo sol e podem ser
transportadas no vácuo.
A distribuição da temperatura pode ser demonstrada através de sensores infravermelhos,
as cores em amarelo, vermelho e branco demonstram que está havendo perda de calor
do sistema. Uma das aplicações da detecção de temperaturas mais elevadas medidas
através da radiação, se refere ao diagnóstico de infecções e tumores, visto que ambos
elevam a temperatura do corpo na região onde se encontram e assim, os aparelhos de
termografia conseguem detectá-los.
9
3.
ESCALAS DE TEMPERATURA
Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro,
sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio
de escalas reproduzíveis, como existia na época, para Peso, Distância, Tempo.
Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, um fabricante de termômetros de Amsterdã,
definiu uma escala de temperatura, a qual possui três pontos de referência – 0 48 e 96.
Números que representavam nas suas palavras o seguinte: “... 48 no meu termômetro é
o meio entre o frio mais intenso produzido artificialmente por uma mistura de água,
gelo e sal-amoníaco, ou mesmo sal comum, e aquela que é encontrada (temperatura) no
sangue de um homem saudável..."
Fahrenheit encontrou, que na sua escala o ponto de fusão do gelo valia 32 e o de
ebulição da água 212 aproximadamente. Estes pontos, posteriormente foram
considerados mais reprodutíveis e foram definidos como exatos e adotados como
referência.
Em 1742, Anders Celsius, professor de Astronomia na Suécia, propôs uma escala com o
zero no ponto de ebulição da água e 100 no ponto de fusão do gelo, no ano seguinte
Christian de Lyons independentemente sugeriu a familiar escala centígrado (atualmente
chamada escala Celsius).
No princípio de 1800, Thonsom (Lord Kelvin) desenvolveu uma escala termodinâmica
universal, baseada no coeficiente de expansão de um gás ideal. Kevin estabeleceu o
conceito de Zero Absoluto e a sua escala permanece como padrão para a termometria
moderna. Zero absoluto ou Zero Kevin é a menor temperatura que um corpo pode
alcançar, 0 K equivale a -273,15ºC.
As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram Fahrenheit e a Celsius. A escala
Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no
ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes
iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. Toda temperatura na escala Fahrenheit é
identificada com o símbolo "°F" colocado após o número (ex. 250°F).
A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e
100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100
10
partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado"
utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada, devendo
ser evitado o seu uso. A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com
o símbolo "°C" colocado após o número (Ex.: 160°C).
Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores
numéricos de referência são totalmente arbitrários.
Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um ponto
limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este
ponto, onde cessa praticamente todo movimento atômico, é o zero absoluto de
temperatura.
Através da extrapolação das leituras do termômetro a gás, pois os gases se liquefazem
antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius
em -273,15°C.
Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado
no zero absoluto de temperatura.
Existem duas escalas absolutas atualmente em uso: a Escala Kelvin e a Rankine.
A Escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual à um
grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível,
273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius.
A Escala Rankine (Símbolo: ºR, ºRa), proposta em 1859, possui obviamente o mesmo
zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da Escala Fahrenheit. A
representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas.
A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América,
porém seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal.
A Escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no
futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit.
Existe outra escala relativa à Reamur (Símbolo: °Re, ºR, ºRé), é uma escala
de temperatura proposta em 1730 pelo físico e inventor francês René Antoine Ferchault
de Réaumur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de
11
fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes
iguais.
Existe ainda a escala Newton (símbolo: °N), é uma escala de temperatura concebida
pelo físico e matemático Isaac Newton por volta de 1700. Ele elaborou, primeiramente,
uma escala de temperatura qualitativa, compreendendo cerca de 20 pontos de referência
que variam de "ar frio no inverno" para "brasas no fogo da cozinha". Newton definiu os
pontos fixos de sua escala como o derretimento da neve (0°N) e a ebulição da água
(33°N). Sua escala é, portanto, um precursor da escala Celsius, visto que as duas escalas
são definidas pelas mesmas referências.
Por fim para critérios didáticos, existem também as escalas Delisle (símbolo: °D) e a
escala Rømer (símbolo: °Rø), ambas praticamente em desuso.
Conversão de escalas: A figura a seguir compara as principais escalas de temperaturas
existentes:
Figura 1: Escalas termométricas
Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:
°C = °F – 32 = K – 273
5
9
5
Outras relações podem ser obtidas conforme tabela abaixo:
12
Tabela 1: Algumas conversões de unidades de temperatura
3.1 Escala Internacional de Temperatura
Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em
fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em
condições únicas de temperatura e pressão. São chamados de pontos fixos de
temperatura.
Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura. A primeira
escala prática internacional de temperatura surgiu em 1927 modificada em 1948 (IPTS48). Em 1960 mais modificações foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prática
Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68).
A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente
desenvolvida sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela
substância é utilizado pelo mecanismo de mudança de estado.
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Figura 2: Mudanças de estado físico da água
Os pontos fixos utilizados pela IPTS-68 são dados na tabela abaixo:
Tabela 2: ITPS-68
Observação: ponto triplo é o ponto em que as fases sólida, líquida e gasosa encontra-se
em equilíbrio.
A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34°C, baseada em pontos de
fusão, ebulição e pontos triplos de certas substâncias puras como, por exemplo, o ponto
de fusão de alguns metais puros.
Hoje já existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenômenos
determinísticos de temperatura e que definiu alguns pontos fixos de temperatura.
Tabela 3: Comparação entre ITPS-68 e ITS-90.
14
4.
TERMÔMETROS
Termômetros são aparelhos utilizados para medir a temperatura. A palavra termômetro
origina-se do grego thermo que significa quente e metro que significa medida.
Os primeiros termômetros confiáveis e precisos foram construídos por Fahrenheit, por
volta de 1720.
A medição se dá a partir do estado de agitação molecular apresentado pelos corpos.
Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas, as moléculas que se
encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas,
mais quente se apresenta o corpo e quanto mais lento mais frio se apresenta o corpo.
A construção de um termômetro está baseada no uso de alguma grandeza física que
depende da temperatura, como a dilatação de um líquido ou sólido quando exposto à
elevação da temperatura, volume de um gás mantido a uma pressão constante, o volume
de um corpo e a resistência elétrica de condutores metálicos entre outras grandezas.
4.1 Termômetros líquidos
Os termômetros de dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de
um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado. Os tipos podem variar
conforme sua construção. Podem ser feitos com recipientes de vidro transparente ou
metálico.
4.1.1 Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro
São constituídos de um reservatório cujo tamanho depende da sensibilidade desejada,
soldada a um tubo capilar de seção a mais uniforme possível fechado na parte superior.
O reservatório e a parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte superior do
capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura
ultrapassar seu limite máximo. Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada
em graus ou frações deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no
ponto em que se tem o topo da coluna líquida.
Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o
tubo capilar por um invólucro metálico.
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Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona. Abaixo segue tabela
dos pontos de solidificação, ebulição e faixas de uso desse líquidos.
Tabela 4: Líquidos de termômetro.
No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550ºC, injetando-se
gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio. Por ser frágil é impossível
registrar sua indicação ou transmiti-la à distância, o uso deste termômetro é mais
comum em laboratórios ou em indústrias quando com proteção metálica.
Figura 3: Termômetro de mercúrio com recipiente de vidro
4.1.2 - Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico.
Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de
temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico).
Bulbo: Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a
sensibilidade desejada, conforme tabela abaixo:
Tabela 5: Faixa de utilização dos líquidos de termômetros.
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Capilar: Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor
possível, a fim de evitar a influencia da temperatura ambiente, porém não deve oferecer
resistência a passagem do líquido em expansão.
Elemento de Medição: o elemento usado é o Tubo de Bourdon, os materiais mais
usados são: bronze fosforoso, cobre - berílio, aço - inox e aço - carbono.
4.2- Termômetros sólidos
São termômetros à dilatação de sólidos, que se baseiam no fenômeno da dilatação linear
dos metais com a temperatura.
4.2.1 - Características de construção
O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de
dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do
conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional a temperatura.
Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta
a sensibilidade.
O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal, e consiste em um tubo bom
condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe um
ponteiro que se desloca sobre uma escala.
Normalmente usa - se o invar (aço composto de 64% Fe e 36% Ni) com baixo
coeficiente de dilatação e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação.
A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50 a 800 ºC,
sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/- 1%.
4.3 Termômetros de Resistência
Termoresistência, ou termômetros de resistência, são nomes genéricos para sensores que
variam sua resistência elétrica com a temperatura. O seu funcionamento baseia-se na
variação da resistência elétrica de modo proporcional à temperatura do meio em que são
colocadas. A lei de variação da resistência, de acordo com a temperatura, pode ser
aplicada a qualquer condutor elétrico, o elemento sensor na maioria dos casos é feito de
platina e níquel e encapsulados em bulbos de cerâmica ou vidro.
17
As termoresistências por apresentarem excelentes características tornaram-se um dos
sensores de medição de temperatura mais utilizados numa ampla faixa de utilização em
processos industriais. É também um dos principais sensores padrão em laboratórios de
calibração.
A termometria de resistência utiliza as relações características da resistência elétrica
com a temperatura, por forma a efetuar medições de temperatura.
Para ligas metálicas e semicondutores, a relação temperatura-resistência segue uma
única equação, sendo esta dependente do material envolvido. Visto que a maior parte é
construída a partir de metais condutores, estes apresentam geralmente coeficientes de
temperatura positivos, fazendo com que um aumento de temperatura resulte num
aumento da resistência. Por sua vez, a maior parte dos semicondutores apresenta um
coeficiente de temperatura da resistência negativo.
Na sua montagem convencional, o bulbo de resistência é montado numa bainha de aço
inox totalmente preenchida com óxido de magnésio permitindo uma ótima condução
térmica e protegendo o bulbo de qualquer impacto ou choques mecânicos. A
interligação do bulbo é feita com fio de cobre ou, em montagens especiais, com fios de
prata ou níquel isolados entre si. Com este tipo de montagem a isolação é mínima entre
os terminais do bulbo e a bainha. Os termómetros de resistência são geralmente do tipo
sonda de imersão, de forma a poderem ser introduzidos no meio cuja temperatura se
pretende determinar. Uma forma típica de construir uma termoresistência consiste em
revestir um pequeno tubo de platina ou prata com material cerâmico, enrolar a
resistência sobre esta e revestir esta última com uma outra camada de cerâmica. Esta
montagem é aquecida a altas temperaturas para assegurar o recozimento do enrolamento
resistivo, e montada na ponta da sonda que é protegida por um encapsulamento final.
Figura 4: Termômetro de resistência
18
4.3.1 Gama de Medida
A gama de medida de uma termoresistências depende do material utilizado na sua
construção.
Na tabela seguinte pode observar-se a gama de medida geral de termoresistências
constituídas por materiais resistivos diferentes.
Tabela 6: Gama de medida geral de termoresistências
19
5.
EFEITOS TERMOELÉTRICOS
Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções
mantidas a diferentes temperaturas, quatro efeitos ocorrem simultaneamente: efeito
Seebeck, Peltier, Thomson e efeito Volta.
5.1 Efeito Seebeck
O efeito descoberto por Thomas Seebeck (1821) é um exemplo de produção de
uma força eletromotriz devido a diferença de temperatura de dois metais ou ligas em
contato. Ou seja, dois metais, distintos e unidos por junções e na ausência de eletrólitos
ou campos magnéticos com diferentes temperaturas iniciais, estarão submetidos a
uma diferença de potencial, que por sua vez induzirá uma corrente elétrica que pode ser
mensurada como qualquer outra.
A força eletromotriz produzida dependerá da diferença inicial de temperatura dos dois
metais, e dos parâmetros de transporte de entropia de cada metal. Isso se deve ao fato
de metais diferentes responderem de forma distinta com relação a diferenças
temperaturas.
O efeito Seebeck está relacionado à conversão de energia térmica em energia elétrica
com o aparecimento de uma corrente elétrica na malha. E a tensão Seebeck se refere à
f.e.m. térmica em uma condição na qual a corrente elétrica seja nula, ou em outras
palavras, que o circuito esteja em malha aberta.
5.2 Efeito Peltier
Este efeito estudado por Jean Peltier (1834) consiste na produção de um gradiente de
temperatura em duas junções de dois condutores ou semicondutores de materiais
diferentes quando são submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado. Ou
seja, seus experimentos mostraram que, quando uma pequena corrente elétrica atravessa
a junção de dois metais diferentes em uma direção, a junção se resfria, absorvendo calor
do meio em que se encontra. Quando a direção da corrente é revertida, a junção se
aquece, aquecendo o meio em que se encontra. O efeito Peltier está relacionado à
emissão ou absorção de calor reversível que normalmente está presente quando uma
corrente elétrica atravessa a junção entre dois metais diferentes. Esse efeito está
20
presente tanto quando a corrente é introduzida por um circuito externo, quanto quando é
gerada pelo próprio termopar.
A força eletromotriz de Peltier que se precisa aplicar no material pode ser considerado
como um efeito inverso do efeito Seebeck onde ocorre o aparecimento de uma diferença
de potencial devido à diferença de temperatura num mesmo tipo de circuito.
Os efeitos Seebeck e Peltier podem ser também considerados como um só e é
denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termoelétrico. Isto é, são dois efeitos
que podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico.
5.3 Efeito Thomson
Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica, que a condução de
calor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente,
origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio. Quando existe corrente,
modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não
inteiramente devida ao efeito Joule.
Essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson. O
efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura média da
pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma
corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor
quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito,
isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para a
parte fria do metal. Conclui-se que, com a circulação de corrente ao longo de um fio
condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo calor
dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.
5.4 Efeito Volta
A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta, estudado por
Alessandro Volta (1800), quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico
e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencia que pode ser da ordem de Volts.
Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.
21
6.
LEI
DO
CIRCUITO
INTERMEDIÁRIOS
HOMOGÊNEO,
E
METAIS
TEMPERATURAS
INTERMEDIÁRIAS
6.1 Lei do Circuito Homogêneo
A F.E.M. gerada por um termopar depende única e exclusivamente da composição
química dos dois metais e das temperaturas entre as duas junções; ou seja, a tensão
gerada independe do gradiente de temperatura ao longo dos fios.
Uma aplicação desta lei é que podemos medir temperaturas em pontos bem definidos
com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as suas
junções.
6.2 Lei dos Metais Intermediários
A F.E.M. gerada por um par termoelétrico não será alterada se inserirmos em qualquer
ponto do circuito, um metal genérico diferente dos que compõem o sensor, desde que as
novas junções formadas sejam mantidas na mesma temperatura.
Uma aplicação prática desta lei é o uso dos contatos de latão ou cobre no bloco de
ligação, para a interligação do termopar ao seu cabo.
6.3 Lei das Temperaturas Intermediárias
A F.E.M. gerada em um circuito termoelétrico com suas junções às temperaturas T1 e
T3 respectivamente, é a soma algébrica de F.E.M. gerada com as junções às
temperaturas T1 e T2 e a F.E.M. do mesmo circuito com as junções às temperaturas de
T2 e T3.
22
Uma consequência desta lei é o uso dos cabos compensados, que tendo as mesmas
características termoelétricas do termopar, podem ser introduzidos no circuito sem
causar erros no sinal gerado.
23
7.
CONCLUSÃO
Os resultados obtidos neste trabalho mostram que a seleção do tipo de instrumento para
medição de temperatura a ser utilizado deve ter em conta várias características do
sistema a medir, de modo que o instrumento escolhido possa responder ao tipo de
medição que se pretende. Tendo em vista também as escalas de temperatura, bem como
as leis do circuito homogêneo, metais intermediários e temperaturas intermediárias. Para
a escolha do instrumento também se deve levar em conta o fator econômico, pois ele é
muito importante, por vezes decisivo, na indústria.
24
8.
REFERÊNCIAS
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA. Universidade Federal de Santa Catarina PósGraduação em Metrologia Científica Industrial Departamento de Engenharia Mecânica
Laboratório
de
Metrologia
e
Automatização.
Disponível
em:
http://www.labmetro.ufsc.br/Disciplinas/EMC5236/Temperatura.pdf >. Acesso: 21
agosto 2015.
ANACLETO, Alcinda Maria da Costa. Temperatura e sua medição. Dissertação
apresentada na Faculdade de Ciências da Universidade do Porto para obtenção do grau
de Mestre em Física para o Ensino. 200 p. Departamento de Física de Ciências da
Universidade do Porto, Porto, 2007.
Disponível em: < http://www.iope.com.br/3ia1_termopares.htm >. Acesso em: 20
agosto 2015.
Disponível em: < http://www.if.ufrgs.br/~leila/termo.htm >. Acesso em: 20 agosto
2015.
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