CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR DE COBRE CONSTANTAN

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Washington Nathan Vilanova Madureira
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1 CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR DE COBRE CONSTANTAN 1. OBJECTIVOS Calibração de um termopar de cobre constantan, com o traçado da curva θ(v) na gama de temperaturas (0ºC a 90ºC); Determinação do coeficiente de Seebeck η = dv pelo método gráfico; dθ Introduzindo a sonda de referência em neve carbónica, obter a sua temperatura (tomando como referência a fonte quente); Comparar os valores obtidos com os valores esperados. 2. MATERIAL NECESSÁRIO Multímetro digital; Termopar de Cobre-Constantan; Tina com gelo; Neve carbónica, Banho-Maria com cabeça termostática. 3. BIBLIOGRAFIA Calibração de um Termopar - Física (Ed. Calouste Gulbenkian) Estudo da Função θ(v) - Laboratório de Física (1981) Laboratório de Termodinâmica - Faculdade de Ciências da Universidade Porto Departamento de Física do ISEP 1

Introduzindo a sonda de referência em neve carbónica, obter a sua temperatura (tomando como referência a fonte quente); Comparar os valores obtidos com os valores esperados. 2.

2 4. INTRODUÇÃO 4.1. DEFINIÇÃO DE TERMOPAR O termopar é usado geralmente para medição de temperatura (isto é, tem a função de um termómetro). Basicamente corresponde à junção de dois metais diferentes estes, quando entram em contacto, geram a passagem de electrões de um metal para outro (sempre do metal com menor trabalho de extracção para o outro). Se construirmos um termopar, como indica a figura 1, com os metais A e B, detectamos o aparecimento de uma força electromotriz entre os pontos 3 e 4, que depende da diferença de temperaturas entre as junções 1 e 2 (este efeito é designado por efeito Seebeck) CONCEITOS BÁSICOS A relação entre a força electromotriz e a diferença de temperaturas θ - θ 0, V = V ( θ - θ 0 ) pode ser representada por um polinómio do tipo: V b c = a 0 θ ( θ θ ) + ( θ θ ) + ( θ ) Para um termopar que trabalhe numa gama não muito extensa de temperaturas, a função quadrática será suficiente (i.é, toma-se apenas até ao termo de segunda ordem). A derivada da tensão termoeléctrica em ordem à temperatura designase por sensibilidade ou coeficiente de Seebeck (η) do termopar: dv η = = a + b dθ ( θ ) θ 0 Departamento de Física do ISEP 2

3 Esta relação, que caracteriza as propriedades do termopar, verifica-se em muitos casos, com bastante rigor, até cerca dos 300ºC MÉTODO UTILIZADO O termopar utilizado neste trabalho é um termopar de Cobre- Constantan e a gama de temperaturas usadas é 0 θ 80. Neste caso vamos fazer uma aproximação ainda maior, tomando a expressão da força termoeléctrica por uma recta (isto é, toma-se apenas o termo de primeira ordem). V dv V = a ( θ θ 0 ) η = a = dθ θ 5. ESQUEMA DE MONTAGEM INICIAL A E 0,0001mv B C D Legenda: A Banho-maria com cabeça termostática B Multímetro digital C Junção de Termopar D Recipiente com água e gelo E Termómetro digital 6. MODO DE PROCEDER A primeira parte do trabalho consiste na calibração do termopar (determinação da sensibilidade η); Departamento de Física do ISEP 3

Neste caso vamos fazer uma aproximação ainda maior, tomando a expressão da força termoeléctrica por uma recta (isto é, toma-se apenas o termo de primeira ordem). V dv V = a ( θ θ 0 ) η = a = dθ θ 5.

4 6.1. Realizar a montagem de acordo com o esquema, verificando que uma das junções do termopar está dentro do banho-maria e mergulhar a outra numa tina cheia de gelo picado e água (verificar que a junção fica completamente imersa na mistura gelo-água e cobrir o recipiente) Colocar o termómetro digital de modo que esteja em contacto com a junção do termopar dentro do banho-maria, usando a garra disponível para o efeito Ler e registar a temperatura do banho, cerca de 5 minutos após colocado o termómetro. Criar uma tabela de registo de duas entradas: numa delas indicar as temperaturas crescentes do banho-maria, em incrementos de 5ºC, usando o valor da temperatura inicial registada; na outra, registar os valores da tensão eléctrica lidos no multímetro para cada temperatura. Tabela-exemplo θ =T banho-t gelo (ºC) V (Tensão) (mv) 1ª leitura 18,5 Valor zero 23,5 28,5 33,5 38,5... última leitura 88, Na cabeça termostática, rodar o botão de aquecimento para os 90ºC. Ligar a cabeça termostática, pressionando o botão para o efeito. 6.5 Proceder ao registo dos valores de tensão eléctrica para cada temperatura considerada, até ao limite de 80 ºC Desligar a cabeça termostática no botão respectivo. Esperar até que a temperatura diminua para um valor próximo de 60 ºC. Remover, entretanto, a junção do termopar da tina de gelo e água Rodar o botão de aquecimento da cabeça termostática para o valor θ BM =60ºC e voltar a ligar a cabeça termostática. Esperar até que a temperatura lida no termómetro esteja estabilizada num valor próximo de θ BM Usar os valores de tensão eléctrica e temperatura lidos anteriormente para traçar o gráfico indicado abaixo, usando para isso o MSExcel (ou Departamento de Física do ISEP 4

Colocar o termómetro digital de modo que esteja em contacto com a junção do termopar dentro do banho-maria, usando a garra disponível para o efeito. 6.3.

5 semelhante); obtenha por regressão linear a recta que melhor se ajusta ao conjunto de valores experimentais obtido, e determine a partir da sua equação a sensibilidade do termopar, η. A segunda parte do trabalho consiste em usar o termopar, já calibrado, para determinar a temperatura da neve carbónica Mergulhar na neve carbónica a junção do termopar que estava na mistura gelo-água Aguardar que a tensão eléctrica estabilize. Registar o seu valor Repetir o procedimento anterior 4 vezes Calcular os erros associados a cada uma das grandezas determinadas directamente. Utilize as relações abaixo indicadas para calcular a temperatura da neve carbónica, θ NC. ( θ ) V = η BM θ 2, sendo NC = θ 2 + b θ ; Questões: 1) Fez a calibração do termopar para temperaturas positivas. Será correcto utilizar a recta obtida nessas condições para fazer a determinação da temperatura da neve carbónica que é negativa? Justifique. Departamento de Física do ISEP 5

Mergulhar na neve carbónica a junção do termopar que estava na mistura gelo-água. 6.10. Aguardar que a tensão eléctrica estabilize. Registar o seu valor. 6.11.

6 2) Seria possível que o termopar fosse constituído somente por cobre? Justifique. Departamento de Física do ISEP 6

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