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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

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Page 1: AULA _ Termometria Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO ACA 221 Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável:

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

Page 2: AULA _ Termometria Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO ACA 221 Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável:

O TERMÔMETROO TERMÔMETRO

• Grego : therme = calor

• Latim :metrum = medida

• instrumento que mede a temperatura de um sistema.

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São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SPT

ar

(°C

)

Média diária(ex S.L. Paraitinga, SP)

Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas

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São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SPT

ar

(°C

)T

ar

(°C

)

Média diária(ex S.L. Paraitinga, SP)

30/01 a 03/02/2008

Média horária

Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas

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São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SPT

ar

(°C

)T

ar

(°C

)T

ar

(°C

)

Média diária(ex S.L. Paraitinga, SP)

Medidas a cada 1 s (sensor rápido)

30/01 a 03/02/2008

Média horária

19/12/2009

Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas

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Primeiros registros históricos de medir temperatura

~150 DC Galeno (médico grego): oito níveis de “temperamento” ou estado de saúde dos pacientes

4 o de calor (acima do neutro): água fervendo

Neutro (resultante da mistura água fervente + gelo)

4 o de calor (abaixo do neutro) : água na fase gelo

~1300 Harme de Berna (médico) : base nas latitudes

4 o de calor: latitude equatorial4 o de frio : latitude dos polos

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Termoscópio de Galileo

Itália (Renascimento)

Século 16

– criação do termômetro moderno

1592 - Galileo Galilei inventa o termômetro rudimentar de água

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Termoscópio de Galileo

do grego skopeo = "vejo“

- esfera conectada a tubo de vidro oco com escala

submergidos sobre um reservatório aberto (alcool

colorido)

- a esfera é aquecida, o ar borbulha no álcool e escapa; - ao resfriar a esfera, a água

sobe pelo tubo

(aberto, sensível à pressão atmosférica)

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1612 –Santorio Santorio (Italia)

Primeiro termômetro: termoscópio com uma escala de medida.

Pioneiro em aplicar métodos quantitativos à medicina (com termoscópios)

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• Século 17

• Ferdinando II (Itália) • - lança o primeiro termômetro lacrado (não se altera com

pressão atmosférica) com álcool (1641), conceito de Torricelli

• – 1a rede de termômetros nas cidades da Itália (1654)

• Robert Hooke (London Royal Society)– Establece os princípios de comparação : príncipio de solidificação

da água

• • Século 18• 1724 Daniel Fahrenheit • - primeiro termômetro moderno: bulbo de mercúrio.

• - primeiro a fixar o ponto zero : – mistura de gelo e sal (32 GRAUS)

– Temperatura do corpo humano (96 GRAUS)

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Termômetros de expansão térmica

de líquido em vidroex : bulbo de mercúrio

bulbo de álcool (etanol ou toluol)

de expansão térmicaex : placa bi-metálica

Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de ObservaçãoLaboratório de Clima e Biosfera

Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

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Termômetro de bulbo

de líquido em vidro (ex. mercúrio, álcool)

estações meteorológicas convencionais medicina

• elementos (notas de aula)

• princípio de calibração dos de termômetro de bulbo : 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)

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Escalas de temperatura e Conversão

Portanto 1 oC = 1 K ~ 2 oF

Anders Celsius (1701 - 1744)

1742 proposta de escala de temperatura centígrada 1948 escala Celsius oficialmente adotada

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Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736)

inventor do termômetro científico

1724 escala de temperatura Fahrenheit

Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de ObservaçãoLaboratório de Clima e Biosfera

Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

1709 termômetro de alcool (já existia)

1714 termômetro de mercúrio

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Conversãode Fahrenheit

para Celsius

C = (F − 32) × 5⁄9

1. mistura em equilibrio de gelo + água líquida + sal (cloreto de amônia)

(= 0 oF)

3. temperatura do corpo humano (boca, axila) (=96 oF)

Dimensão dos graus :

1 °C = 9/5°F ~ 2°F

Histórico da escala Fahrenheit

2. água líquida com gelo iminente

(= 32 oF)

temperatura de ebulição da água

(=212 oF)

212 – 32 = 180 unidades !

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Termômetro de expansão térmica

bimetálico

Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de ObservaçãoLaboratório de Clima e Biosfera

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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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Termômetro bimetálico

com monitor digital

ex: Termohigrógrafo

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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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Termômetros elétricosde resistência ou RTD = resistance temperature detector

Resistencia (ordem 100 Ω) aumenta com TRT = Ro (1 + aT + bT2) (aproximada/e linear)

Fio material condutordiâmetro 0,1 a 0,05 mm encapsulado com resina

Materiais : tungstênio, niquel, cobre, platina (mais comum)

fios de cobre nas ligações podem alterar sua medida

Fig: fonte (Brock 2001)

Eixo ddp (V)

Eixo resistencia

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Bainha protetora

Corpo de ceramica

O sensor : fio de platina em espiral

cabos

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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

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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

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Termômetros elétricos

Termopar

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metal A sob gradiente de temperatura (T1 > T2) gera ddp e corrente

efeito termoelétrico (difusão dos e- livres superficiais)

para medir a ddp (V) requer outro metal B

T2T1

i

V=?

Thomas Seebeck (1822)

Se T1 ≠ T2 : surge uma ddp diferencial entre A e Bcontínuo fluxo termoeletrico

ddp : função da temperatura (efeito Seebeck) ~ 1 a 70 microV / oC

e é proporcional à diferença poder termoelétrico de A relação B

V

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Page 27: AULA _ Termometria Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO ACA 221 Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável:

Junta ou junção fria

chamada de referência (precisa ser medida independentemente)

Junta quente

incógnita

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Page 28: AULA _ Termometria Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO ACA 221 Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável:

Fonte: Brock (2001)

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Eixo de saída em mV ~linear

Eixo de erro, em oC

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Termopar : poder termoelétrico varia não-linearmente com

material

temperatura das junções

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Tipo deTermopar

Faixa deTemperatura

Limites de Erro

Padrão Especial

T 0 a 370ºC ±1ºC ou

±0,75% ±0,5ºC ou

0,4%

J 0 a 760ºC ±2,2ºC ou

±0,75% ±1,1ºC ou

±0,4%

E 0 a 870ºC ±1,7ºC ou

±0,5% ±1ºC ou

±0,4%

K 0 a 1260ºC ±2,2ºC ou

±0,75% ±1,1ºC ou

±0,4%

S e R 0 a 1480ºC ±1,5ºC ou

±0,25% ±0,6ºC ou

±0,1%

B 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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Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de ObservaçãoLaboratório de Clima e Biosfera

Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

Termômetros de radiação (infravermelho)chamados de Pirômetros converte radiação infra-vermelha em Temperaturaobjetos em movimento, altas temperaturas

- Requer focalização no objeto (não misturar alvos)- erros com superfícies refletoras (emissividade < 1)