Jéssika da Rocha Silva

Medição de Temperatura

Brasil

2015

Jéssika da Rocha Silva

Medição de Temperatura

Relatório científico solicitado pela ProfessoraKarla Barcellos, referente à obtenção de notapara a disciplina de Laboratório de Engenha-ria Química 1.

Universidade Federal de Alagoas – UFAL

Centro de Tecnologia

Departamento de Engenharia Química

Brasil2015

ResumoA temperatura representa uma das mais importantes variáveis a serem analisadas naindústria durante um processo químico. É através da temperatura que o engenheiro podecalcular e conhecer os níveis de energia e eficiência de equipamentos, tal conhecimentotorna o operador capaz de corrigir o funcionamento do equipamentos caso seja necessário.Considerando esse papel de importância industrial é interessante conhecer os instrumentosusados para realizar a medida de temperaturas e saber interpretar os resultados fornecidospelos mesmos, em diferentes situações. Neste trabalho são apresentados resultados obtidosusando cinco instrumentos distintos para medição de temperatura durante os processosde aquecimento e resfriamento de água. Os instrumentos usados durante o experimentoforam o recipiente do banho, um termômetro de mercúrio, um termopar J, um pirômetroe um medidor digital.

Palavras-chaves: Temperatura, Instrumentos de medição, Aquecimento, Resfriamento

Lista de ilustrações

Figura 1 – Instrumentos de medição de temperatura. (a) Recipiente de banho, (b)Termômetro de mercúrio, (c) Termômetro digital, (d) Pirômetro e (e)Termopar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Figura 2 – Gráfico apresentando a temperatura medida em função do tempo paracada instrumento utilizado durante a fase de aquecimento da água. . . 13

Figura 3 – Barras de erro absoluto para cada instrumento em relação a temperaturado banho, durante o processo de aquecimento. . . . . . . . . . . . . . . 14

Figura 4 – Gráfico apresentando a temperatura medida em função do tempo paracada instrumento utilizado durante a fase de resfriamento da água. . . 15

Figura 5 – Barras de erro absoluto para cada instrumento em relação a temperaturado banho, durante o processo de resfriamento. . . . . . . . . . . . . . . 16

Lista de tabelas

Tabela 1 – Comparação entre medidores de temperatura do tipo contato direto eindireto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Tabela 2 – Dados obtidos durante a fases de aquecimento da água. . . . . . . . . . 12Tabela 3 – Erro absoluto das medidas obtidas pelos instrumentos de medição de

temperatura em relação à temperatura indicada no banho, durante afase do aquecimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Tabela 4 – Dados obtidos durante a fases de resfriamento da água. . . . . . . . . . 15Tabela 5 – Erro absoluto das medidas obtidas pelos instrumentos de medição de

temperatura em relação à temperatura indicada no banho, durante afase do resfriamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Lista de símbolos

E Erro Absoluto

Vr Valor Real

Vi Valor medido pelo instrumento

Sumário

1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 OBJETIVOS DO EXPERIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.1 Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2 Métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.1 Análise do Aquecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2 Análise do Resfriamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

6 SUGESTÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

7

1 Fundamentação Teórica

A temperatura é a segunda grandeza mais medida no mundo, perdendo apenas parao tempo (FERNANDES, 2010), isso se deve principalmente ao fato de que é a através datemperatura que se desperta o senso comun do que pode ser considerado quente ou frio. Amedição da temperatura correta de um sistema é importante em diversos ramos da ciência,muitos fatores físicos, químicos e biológicos estão intimamente ligados com a temperatura,os fundamentos do tratamento científico feito usandos dados de temperatura são muitodiscutidos em (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2009). Ainda segundo (FERNANDES,2010) atualmente a medição de temperaturas assume grande importância em numerososprocessos de controle industrial e, praticamente todo o processo industrial está sobre osefeitos dessa grandeza, portanto sua medição é de extrema importância.

A medição da temperatura como é conhecida atualmente não pode ser realizadadiretamente, o que ocorre é uma dedução do valor baseado nos efeitos que podem sercausados por uma substância, tais efeitos são conhecidos e podem ser físicos ou elétricos.Baseado nesse fato é que foram desenvolvidos os diferentes medidores de temperaturasconhecidos, de acordo com (FREIRE, 2011) é possível dividir os medidores de temperaturaem dois grandes grupos: o grupo de contato direto e o grupo de contato indireto.

No grupo de contato direto encontram-se os medidores sensíveis ao contato com omaterial, ou seja, para realizar a medição, o instrumento precisa entrar em contato como corpo cuja temperatura se deseja medir, nesse grupo podemos citar os termômetros apar termoelétrico, termômetros à dilatação (líquidos e sólidos), entre outros exemplos. Osegundo grupo, por outro lado, é composto pelos insrumentos que não necessitam entrarem contato com o corpo para realizar a medição, nessa classe encaixa-se o pirômetro(óptico, fotoelétrico, de radiação).

A escolha entre um ou outro tipo de termômetro é basiada unicamente na aplicaçãodesejada. Na Tabela 1 é possível encontrar um breve comparação entre as duas grandesclasses de instrumentos discutidas anteriormente.

Capítulo 1. Fundamentação Teórica 8

Tabe

la1–Com

paraçãoentremedidores

detempe

ratura

dotip

ocontatodireto

eindireto.

CO

NT

AT

OD

IRE

TO

IND

IRE

TO

Con

diçãonecessária

para

medircom

precisã

o

1)Es

tarem

contatocom

oob

jeto

asermedido.

2)Pr

aticam

ente

nãomud

ara

tempe

ratura

doob

jeto

devido

aocontatodo

detector.

1)A

radiação

doob

jeto

medidotem

quechegar

atéodetector.

Caracterís

tica

1)É

difíc

ilmediratempe

ratura

deum

objeto

pequ

eno,

porque

este

tem

tend

ênciade

mud

ança

detempe

ratura

quan

doem

contatocom

umob

jeto

cuja

tempe

ratura

édiferente.

2)É

difíc

ilmediroob

jeto

que

está

emmovim

ento

1)Não

mud

aatempe

ratura

doob

jeto

porque

odetector

não

está

emcontatodireto

com

omesmo.

2)Po

demediroob

jeto

queestá

emmov

imento.

3)Geralmente

medeatempe

ratura

dasupe

rfície.

4)Dep

ende

daem

issividad

e

Faixade

Tempe

ratura

Éindicado

para

medir

tempe

raturasmenores

que

1600

o C.

Éad

equa

dopa

ramedir

tempe

raturaselevad

as(>-50

o C)

Precisã

oGeralmente,±

1%da

faixa

Geralmente

3a10

o CTe

mpo

deRespo

sta

Geralmente

gran

de(>

5min)

Geralmente

pequ

eno(0,3∼

3s)

FONTE:

(FREI

RE,

2011)

9

2 Objetivos do Experimento

Este experimente teve como objetivos introduzir os estudantes ao uso de instrumen-tos para medição de temperatura, conhecer as principais características de cada instrumentoe ser capaz de comparar os diferentes instrumentos usados durante a realização da aulaprática.

10

3 Materiais e Métodos

3.1 MateriaisDurante o experimento foram usados os seguintes materiais. Na Figura 1 são

apreentadas fotos com instrumentos similares aos utilizados durante a aula.

• Recipiente de banho com medição de temperatura

• Termômetro de mercúrio

• Termopar J

• Pirômetro óptico

• Termômetro Digital

• Cronômetro

Figura 1 – Instrumentos de medição de temperatura. (a) Recipiente de banho, (b) Termô-metro de mercúrio, (c) Termômetro digital, (d) Pirômetro e (e) Termopar.

Fonte: Adaptado de www.images.google.com

3.2 MétodosO procedimento para realização do experimento foi seguido conforme descrição

fornecida no roteiro de laboratório fornecido pela professora da disciplina (BARCELLOS,2015).

Capítulo 3. Materiais e Métodos 11

No inicíco do experimento a aguá já se encontrava em aquecimento no recipientepara banho. A prática foi conduzida simultaneamente por dois grupos de alunos diferentes,o motivo da realização do experimento dessa maneira foi devido á necessidade de obterdados em intervalos de tempo mais longos para observar uma maior variação nas tempe-raturas medidas. A cada dois minutos um mesmo grupo dirigia-se ao sistema que haviasido previamente montado e fazia as medidas usando os cinco diferentes medidores detemperatura comentados na seção Materiais. Foram realizadas cinco medidas durante oprocesso de aquecimento, em seguida o recipiente de banho foi ajustado para resfriar aágua e o procedimento de medição foi repetido, obtendo-se mais cinco medidas. Os dadoscoletados foram agrupados, analisados e são discutidos a seguir.

12

4 Resultados e Discussões

Os dados coletados durante o experimento podem foram agrupados nas tabelas 2 e4, em seguida foram criados os graficos das figuras 2 e 4, e calculados os erros absolutospara cada instrumento, cujos valores estão dispostos nas tabelas 3 e 5. Tais erros foramcalculados usando a equação 4.1, onde Vr representa o valor real (temperatura do banho)e Vi representa o valor medido com o instrumento.

E = |Vr − Vi| (4.1)

Durante o processo de avaliação e discussão dos resultados dispostos neste relatórioserão usadas as medidas do banho como os valores da temperatura real da água durante oexperimento, dessa forma os erros calculados, dispostos nas tabelas 3 e 5, e apresentadosnas figuras 3 e 5 representam o erro absoluto da medição do instrumento em relação àindicação do banho. Escolheu-se trabalhar com erros absolutos neste relatório, pois oserros relativos aprensentavam barras de erro difíceis de analisar quando adicionados aqualquer ferramenta de visualização de dados usando gráficos.

4.1 Análise do Aquecimento

Tabela 2 – Dados obtidos durante a fases de aquecimento da água.

MedidaIndicaçãodo Banho

(oC)

Tempo(min)

Termômetro deMercúrio

(oC)

TermoparJ (oC)

Pirômetro(oC)

TermômetroDigital(oC)

1 72 1 75 53 69 66.52 82 5 84 76 74.5 803 89.9 9 89 84 76 854 89.6 13 89 85 80.5 87.15 90.1 17 89 86 81.5 75.6

Observa-se no gráfico da figura 2 que os dados obtidos para os instrumentos demedida variaram no intervalo entre 50oC e cerca de 90oC. Usando a temperatura indicadano recipiente de banho é possível constatar que a temperatura do termômetro de mercúriofoi a que obteve a melhor aproximação da temperatura. Para comprovar que as melhoresmedições foram feitas usando o termômetro de mercúrio é possível analisar os gráficosda figura 3, que mostram as barras do erro absoluto entre a temperatura medida pelos

Capítulo 4. Resultados e Discussões 13

instrumentos usados e a temperatura indicada no banho. Além disso, o termômetro digitalapresentou uma queda de temperatura para a última medida enquanto que os outrosistrumentos continuaram a aumentar como se esperava.

Tabela 3 – Erro absoluto das medidas obtidas pelos instrumentos de medição de tem-peratura em relação à temperatura indicada no banho, durante a fase doaquecimento.

Termômetro de Mercúrio Termopar J Pirômetro Termômetro Digital3 19 3 5.52 6 7.5 20.6 5.9 13.9 4.90.9 4.6 9.1 2.51.1 4.1 8.6 14.5

Observe que as barras de erro comprovam o que foi inferido do gráfico comparativo.De fato, as medidas do termômetro de mercúrio obtiveram o menor erro em relação aobanho.

Figura 2 – Gráfico apresentando a temperatura medida em função do tempo para cadainstrumento utilizado durante a fase de aquecimento da água.

Capítulo 4. Resultados e Discussões 14

É importante mencionar que o experimento foi realizado por alunos que não haviam,até então, tido contato com instrumentos como o Termopar J e o pirômetro, um pequenoerro de operação foi constado após a primeira medida usando o Termopar J, o alunoresponsável por essa medida não foi adequadamente instruido sobre como realiza-la, entãoacabou posicionando o instrumento de maneira inadequada para a medição. Entretanto,após o ocorrido, o problema foi corrigido e as medições foram feitas de forma mais coerente.

Figura 3 – Barras de erro absoluto para cada instrumento em relação a temperatura dobanho, durante o processo de aquecimento.

(a) Termômetro de Mercúrio (b) Termopar J

(c) Pirômetro (d) Termômetro Digital

4.2 Análise do ResfriamentoDurante o processo de resfriamento as temperaturas medidas variaram no intervalo

entre cerca de 85oC até 55oC. Usando a temperatura indicada no recipiente de banho comoreferência, assim como foi observado para o aquecimento, a temperatura do termômetro demercúrio foi a que obteve a melhor aproximação da temperatura durante o resfriamento.

Da mesma forma que anteriormente o grafico com as barras de erro comprovaque o termômetro de mercúrio apresenta os melhores dados em relação a temperaturaindicada no recipiente de banho. Observa-se ainda que o Termômetro digital apresentou

Capítulo 4. Resultados e Discussões 15

uma variação incompatível com os demais instrumentos e incomum para um processo deresfriamento, esperava-se que a temperatura caisse com o tempo, entretanto observou-seuma oscilação de temperatura durante o período de análise.

Tabela 4 – Dados obtidos durante a fases de resfriamento da água.

MedidaIndicaçãodo Banho

(oC)

Tempo(min)

Termômetro deMercúrio

(oC)

TermoparJ (oC)

Pirômetro(oC)

TermômetroDigital(oC)

1 85.1 2 85 81 73 81.62 80.1 6 80 76 70 643 76 10 76 72 69.5 72.74 72.6 14 72 68 66.5 56.85 69.5 18 69 65 62.5 66.2

Figura 4 – Gráfico apresentando a temperatura medida em função do tempo para cadainstrumento utilizado durante a fase de resfriamento da água.

Outra caracteística interessante do gráfico na figura 4 é o comportamento dacurva para o Termopar J, que apresentou um deslocamento quase constante em relação à

Capítulo 4. Resultados e Discussões 16

temperatura do banho, o que mostra que as medidas do Termopar não foram exatas, masapresentaram certa uniformidade nos resultados quando comparadas à referência.

Tabela 5 – Erro absoluto das medidas obtidas pelos instrumentos de medição de tem-peratura em relação à temperatura indicada no banho, durante a fase doresfriamento.

Termômetro de Mercúrio Termopar J Pirômetro Termômetro Digital0.1 4.1 12.1 3.50.1 4.1 10.1 16.10 4 6.5 3.30.6 4.6 6.1 15.80.5 4.5 7 3.3

Figura 5 – Barras de erro absoluto para cada instrumento em relação a temperatura dobanho, durante o processo de resfriamento.

(a) Termômetro de Mercúrio (b) Termopar J

(c) Pirômetro (d) Termômetro Digital

17

5 Conclusões

Verificou-se que tanto durante a fase de aquecimento quanto durante a fase deresfriamento o termômetro de mercúrio apresentou as medidas de temperatura maispróximas das temperaturas apresentadas no recipiente de banho. O termômetro digitalpor outro lado não se comportou exatamente como o esperado, em especial para a fasede resfriamento, ele apresentou uma oscilação inesperada. O termômetro de mercúrio e otermopar J apresentaram as medidas com menor erro; o pirômetro e o termômetro digitalapresentaram as medidas com maiores erros.

Tanto o termômetro de mercúrio quanto o termopar são medidores diretos, ou sejaprecisam entrar em contato com o corpo para medir a temperatura. Durante o experimentotrabalhou-se com um bom volume de água, assim tinha-se um corpo grande o suficientepara fornecer um boa leitura para os medidores. O pirômetro, no entanto, é um medidorindireto, depende da emissividade do corpo para medir a temperatura, isto é, problemasna emissividade podem ter causado problemas na leitura.

O termômetro digital é também um instrumento direto, porém não apresentouboas aproximações para as temperaturas. Os termômetros digitais medem a temperaturaatravés da variação de suas características elétricas, e pelo fato de ser um instrumentodigital minimiza os erros de leitura, mas não minimiza os erros de operação, uma variaçãona forma como o operador posicionava o termômetro digital durante as medições podemter sido a principal fonte de erros que causaram o comportamento incomum observadosnos dados coletados.

É importante acrescentar que que todo termômetro é baseado em alguma proprie-dade física de uma substância que depende da temperatura. Dessa forma, termômetrosdiferentes, são baseados em substâncias diferentes, e podem registrar valores diferentes detemperaturas iguais, por isso, é necessário estabelecer um método de calibração para osinstrumentos usados. No início da prática, os instrumentos já estavam posicionados sendoassim, não houve informação sobre a calibração dos instrumentos usados, essa falta deinformação pode ser mais uma fonte de erro para justificar as medidas fora do padrão queobteve-se.

Ao fim do experimento foi possível entender melhor o funcionamento de diferentestipos de medidores de temperatura. Foi possível também concluir que no caso observado omelhor termômetro foi o termômetro de mercúrio.

18

6 Sugestões

Uma sugestão para as próximas práticas é dar um pouco mais de atenção a primeiravez que realizar o experimento, em especial, em práticas como a de medição de temperaturaas medições precisam ser feitas muito rápido, alguns erros de operação podem ocorrernessa fase. Uma ideia é fixar o termômetro digital, assim como fixou-se o termômetro demercúrio para evitar erros de operação.

19

Referências

BARCELLOS, K. M. Roteiro de Laboratório – Medição de Temperatura. [S.l.], 2015.Disponível em: <https://sistemas.ufal.br/cas/login?service=http%3A%2F%2Fava.ead.ufal.br%2Flogin%2Findex.php>. Acesso em: 19 mar. 2015. Citado na página 10.

FERNANDES, J. C. Tema 10: Medidas de Pressão e Temperatura na ManutençãoPreventiva. [S.l.], 2010. Disponível em: <http://wwwp.feb.unesp.br/jcandido/manutencao/Grupo_10.pdf>. Acesso em: 22 mar. 2015. Citado na página 7.

FREIRE, A. Instrumentacão Industrial – Temperatura. [S.l.], 2011. Disponívelem: <http://www.faatesp.edu.br/publicacoes/Intrumenta%E7%E3o%20Industrial_Temperatura_pg1_40.pdf>. Acesso em: 22 mar. 2015. Citado 2 vezes nas páginas 7 e 8.

HALLIDAY; RESNICK; WALKER. Fundamentos de Física – Gravitação, Ondas eTermodinâmica. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2009. Citado na página 7.