AULA _Termometria Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO ACA 221 Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag /

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1 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

2 O TERMÔMETRO Grego : therme = calor Latim :metrum = medida instrumento que mede a temperatura de um sistema.

3 São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP T ar (°C) Média diária (ex S.L. Paraitinga, SP) 3

4 São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP T ar (°C) Média diária (ex S.L. Paraitinga, SP) 30/01 a 03/02/2008 Média horária T ar (°C) 4

5 São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP T ar (°C) Média diária (ex S.L. Paraitinga, SP) 30/01 a 03/02/2008 Média horária T ar (°C) 19/12/2009 Medidas a cada 1 s (sensor rápido) T ar (°C) 5

6 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 ~ Harme de Berna (médico) : base nas latitudes 4 o de calor: latitude equatorial 4 o de frio : latitude dos polos

7 Termoscópio de Galileo
Itália (Renascimento) Século 16 – criação do termômetro moderno Galileo Galilei inventa o termômetro rudimentar de água Termoscópio de Galileo

8 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)

9 1612 –Santorio Santorio (Italia)
Primeiro termômetro: termoscópio com uma escala de medida. Pioneiro em aplicar métodos quantitativos à medicina (com termoscópios)

10 Ferdinando II (Itália)
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)

11 Termômetros de expansão térmica
de líquido em vidro ex : bulbo de mercúrio bulbo de álcool (etanol ou toluol) de expansão térmica ex : placa bi-metálica Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

12 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)

13 Escalas de temperatura e Conversão
Anders Celsius ( ) 1742 proposta de escala de temperatura centígrada 1948 escala Celsius oficialmente adotada Escalas de temperatura e Conversão Portanto 1 oC = 1 K ~ 2 oF

14 1709 termômetro de alcool (já existia) 1714 termômetro de mercúrio
Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) inventor do termômetro científico 1724 escala de temperatura Fahrenheit Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

15 Histórico da escala Fahrenheit
temperatura de ebulição da água (=212 oF) 212 – 32 = 180 unidades ! 1. mistura em equilibrio de gelo + água líquida + sal (cloreto de amônia) (= 0 oF) 2. água líquida com gelo iminente (= 32 oF) 3. temperatura do corpo humano (boca, axila) (=96 oF) Conversão de Fahrenheit para Celsius C = (F − 32) × 5⁄9 Dimensão dos graus : 1 °C = 9/5°F ~ 2°F

16 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) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

17 Termômetro bimetálico
com monitor digital ex: Termohigrógrafo

18 Termômetros elétricos 1. de resistência
(RTD = resistance temperature detector) 2. semi-condutor (termistor) 3. termopar Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

19 Termômetros elétricos de resistência
ou RTD = resistance temperature detector Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

20 Termômetros elétricos de resistência
ou RTD = resistance temperature detector Resistencia (ordem 100 Ω) aumenta com T RT = Ro (1 + aT + bT2) (aproximada/e linear) Fio material condutor diâmetro 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 resistencia Eixo ddp (V) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

21 cabos Bainha protetora O sensor : fio de platina em espiral Corpo de ceramica

22 Termômetros elétricos
Termistor = thermal resistor material semi-condutor Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

23 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) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

24 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

25 Termômetros elétricos
Termopar Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

26 contínuo fluxo termoeletrico
metal A sob gradiente de temperatura (T1 > T2) gera ddp e corrente efeito termoelétrico (difusão dos e- livres superficiais) i T1 T2 Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP 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 e é proporcional à diferença poder termoelétrico de A relação B V

27 chamada de referência (precisa ser medida independentemente)
Junta ou junção fria chamada de referência (precisa ser medida independentemente) Junta quente incógnita Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

28 Fonte: Brock (2001) Eixo de saída em mV ~linear Eixo de erro, em oC
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29 Termopar : poder termoelétrico varia não-linearmente com material
temperatura das junções Tipo de Termopar Faixa de Temperatura 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 S e R 0 a 1480ºC ±1,5ºC ou ±0,25% ±0,6ºC ou ±0,1% B 870 a 1700ºC ±0,5% ± 0,25% -200 a 0ºC ±1ºC ou ±1,5% - ±1,7ºC ou ±1% ±2,2ºC ou ±2% Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

30 Termômetros de radiação (infravermelho) chamados de Pirômetros
converte radiação infra-vermelha em Temperatura objetos em movimento, altas temperaturas - Requer focalização no objeto (não misturar alvos) - erros com superfícies refletoras (emissividade < 1) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP