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

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

4 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 Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas

5 São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP 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

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 §~1300 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

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 Século 17 Ferdinando II (Itália) - lança o primeiro termômetro lacrado (não se altera com pressão atmosférica) com álcool (1641), conceito de Torricelli – 1 a rede de termômetros nas cidades da Itália (1654) Robert Hooke (London Royal Society) –Establece os princípios de comparação : príncipio de solidificação da água Século 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 Portanto 1 o C = 1 K ~ 2 o F Anders Celsius ( ) 1742 proposta de escala de temperatura centígrada 1948 escala Celsius oficialmente adotada

14 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 1709 termômetro de alcool (já existia) 1714 termômetro de mercúrio

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

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

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 ouRTD = 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 ouRTD = resistance temperature detector Resistencia (ordem 100 Ω) aumenta com T R T = Ro (1 + aT + bT 2 )(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 ddp (V) Eixo resistencia Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

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

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) R T = exp (a0 + a1/T + a3/T 3 ), T( o C) variação exponencial Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP 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)

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 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 B contínuo fluxo termoeletrico ddp : função da temperatura (efeito Seebeck) ~ 1 a 70 microV / o C e é proporcional à diferença poder termoelétrico de A relação B V Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

27 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) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Eixo de saída em mV ~linear Eixo de erro, em o C

29 Termopar : poder termoelétrico varia não-linearmente com material temperatura das junções Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Tipo de Termopar Faixa de Temperatura Limites de Erro Padrão Especial T0 a 370ºC ±1ºC ou ±0,75% ±0,5ºC ou 0,4% J0 a 760ºC ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4% E0 a 870ºC ±1,7ºC ou ±0,5% ±1ºC ou ±0,4% K0 a 1260ºC ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4% S e R0 a 1480ºC ±1,5ºC ou ±0,25% ±0,6ºC ou ±0,1% B870 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%-

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


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