Transferencia de calor termopares

Transferencia de calor termopares

(Parte 1 de 3)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA GEM 20: TRANSFERÊNCIA DE CALOR I PROFESSOR: GILMAR GUIMARÃES

1º Laboratório: Termopares

NOME:N.º:
Bruno Alexandre Roque85732
Guilherme Augusto de Oliveira85733

UBERLÂNDIA, 29 DE MAIO DE 2009

1. Introdução

Os termopares são os sensores de temperatura preferidos nas aplicações industriais, seja pela sua robustez, seja pela simplicidade de operação. Entretanto, para que as medições de temperatura com termopar sejam significativas e confiáveis, é fundamental conhecer não somente os princípios básicos de operação, como também as condições que o usuário deve proporcionar para que esses princípios sejam válidos. Os termopares são os sensores de temperatura mais utilizados. Sua simplicidade e confiabilidade são o maior apelo à sua utilização.

2. Análise teórica

Antes de iniciar o estudo dos termopares, é necessário falar sobre os efeitos abaixo, que auxiliarão no entendimento dos processos de medição em questão.

2.1 - Efeito Seebeck

O efeito Seebeck é a produção de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre duas junções de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes, quando elas estão a diferentes temperaturas (força eletromotriz térmica). É o reverso do efeito Peltier que é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma diferença de potencial (tensão elétrica) em um circuito fechado (conseqüêntemente, percorrido por uma corrente elétrica). Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico. O efeito Seebeck é devido a dois fenômenos: difusão de portadores de carga e arrastamento fônon. O princípio termoelétrico dos termopares deriva de uma propriedade física dos condutores metálicos submetidos a um gradiente térmico em suas extremidades: a extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética e se acumulem no lado mais frio, gerando uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns milivolts (mV).

Figura 1: Condutor metálico submetido a um gradiente de temperatura

Na figura acima, o valor da força eletro motriz ΔE depende da natureza dos materiais e do gradiente de temperatura nos mesmos. Quando o gradiente de temperatura é linear, a diferença de potencial elétrico ΔE = E2 − E1 > 0 depende apenas do material e das temperaturas T1 e T2, (T2 > T1), formalmente representado pela fórmula:

onde S é o coeficiente termodinâmico de Seebeck, ΔT é a diferença de temperatura ΔT = T2 − T1 e ΔE é a diferença de potencial elétrico usualmente medido em milivolts em função da diferença de temperatura

Quando dois condutores metálicos A e B, de diferentes naturezas, são acoplados mediante um gradiente de temperatura, os elétrons de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferença de potencial elétrico, num efeito semelhante a um pilha eletroquímica. Esse efeito é conhecido como Efeito Seebeck sendo capaz de gerar energia elétrica com base numa fonte de calor mediante propriedades físicas dos metais.

Figura 2: Metais condutores acoplados num termopar Quando associam-se dois metais num termopar, a força eletro motriz gerada é:

onde SA e SB são os coeficientes de Seebeck dos metais A e B, T1 e T2 representam a diferença de temperatura na junção dos materiais. Os coeficientes de Seebeck são não-lineares e dependem da temperatura absoluta, material, e da estrutura molecular. Se os coeficientes de Seebeck podem ser considerados efetivamente constantes numa certa gama de temperatura, a fórmula acima pode ser aproximada por:

Desse modo é possível gerar energia elétrica usando-se uma fonte de calor. Atualmente, o efeito

Seebeck é muito utilizado para a construção de termômetros em que se mede diferença de temperatura através de um voltímetro calibrado para este fim. Outra aplicação deste mesmo efeito é a construção de pilhas atômicas (Gerador termoelétrico de radioisótopos) para produzir pequenas potências, mas de longa duração, o que é necessário em situações especiais como na sonda Cassini-Huygens e nas sondas Voyager.

A maior desvantagem da utilização da geração de energia termelétrica direta é a baixa potência. Isto obriga a construção de milhares de células termelétricas para a obtenção de alguns Watts de potência.

2.2 - Efeito Peltier

O efeito Peltier é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado (consequentemente, percorrido por uma corrente elétrica). É também conhecido como Força eletromotriz de Peltier e é o reverso do efeito Seebeck em que ocorre produção de diferença de potencial devido à diferença de temperatura neste mesmo tipo de circuito. Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico. Na verdade, são dois efeitos que podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico.

Este efeito é utilizado em coolers que, usando uma diferença de potencial, podem transferir calor da junção fria para quente aplicando-se a polaridade elétrica adequada (É um refrigerador no sentido termodinâmico da palavra). O mesmo efeito também é utilizado para produzir temperaturas próximas de 0 K, onde o terminal aquecido é refrigerado por Nitrogênio líquido, cuja temperatura de ebulição é de 7,35 K (-196,15 °C).

Tal procedimento é conhecido como ultra-resfriamento termoelétrico, sendo capaz de produzir temperaturas próximas ao zero absoluto no terminal refrigerado. O ultra-resfriamento por termopar é utilizado para o estudo de supercondutores e do comportamento de matérias na temperatura do espaço inter-estelar, onde as temperaturas são próximas a 0 K.

2.3 Efeito Thomson

O efeito Thomson se inspirou numa abordagem teórica de unificação dos efeitos Seebeck (1821) e

Peltier (1834). O efeito Thomson foi previsto teoricamente e subsequentemente observado experimentalmente em 1851. Ele descreve a capacidade generalizada de um metal submetido a uma corrente elétrica e um gradiente de temperatura em produzir frio ou calor.

Qualquer condutor submetido a uma corrente elétrica (com exceção de supercondutores), com uma diferença de temperatura em suas extremidades, pode emitir ou absorver calor, dependendo da direrença de temperatura e da intensidade e direção da corrente elétrica. Se uma corrente elétrica de densidade J flui por um condutor homogêneo, o calor produzido por unidade de volume é:

onde ρ é a resistividade do condutor dT/dx é o gradiente de temperatura ao longo do condutor μ é o coeficiente de Thomson.

O primeiro termo ρ J² é simplesmente o aquecimento da Lei de Joule, que não é reversível.

O segundo termo é o calor de Thomson, que muda de sinal quando J muda de direção.

Em metais como zinco e cobre, com o terminal "quente" conectado a um potencial elétrico maior e o terminal "frio" conectado a um potencial elétrico menor, onde a corrente elétrica flui do terminal quente para o frio, a corrente elétrica está fluindo de um ponto alto potencial térmico para um potencial térmico menor. Nessa condição há evolução no calor. É chamado de efeito positivo de Thomson.

Em metais como cobalto, níquel, e ferro,com o terminal "frio" conectado a um potencial elétrico maior e o terminal "quente" conectado a um potencial elétrico menor, onde a corrente elétrica flui do terminal frio para o quente, a corrente elétrica está fluindo de um ponto baixo potencial térmico para um ponto de potencial térmico maior. Nessa condição há absorção do calor. É chamado de efeito negativo de Thomson.

2.4 – Efeito Joule

Lei de Joule (também conhecida como efeito Joule) é uma lei física que expressa a relação entre o calor gerado e a corrente elétrica que percorre um condutor em determinado tempo. O nome é devido a James Prescott Joule (1818-1889) que estudou o fenômeno em 1840. Ela pode ser expressa por:

Onde:

• Q é o calor gerado por uma corrente constante percorrendo uma determinada resistência elétrica por determinado tempo.

• I é a corrente elétrica que percorre o condutor com determinada resistência R.

• R é a resistência elétrica do condutor.

• t é a duração do tempo em que a corrente elétrica percorreu ao condutor.

Se a corrente não for constante em relação ao tempo:

Quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, há produção de calor. Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo. A lei de Joule está relacionada com a definição de joule onde:

• Um joule é o trabalho realizado para transportar um coulomb (unidade de medida da carga elétrica) de um ponto para outro, estando os dois pontos a uma diferença de potencial de um volt (unidade de medida da diferença de potencial).

• O trabalho é dado por:

onde:

• W é o trabalho elétrico (em joule). • Q é a carga (em coulomb).

• U é a diferença de potencial (em volt).

A nível molecular o aquecimento acontece por causa da colisão dos elétrons com os átomos do condutor, em que o momento é transferido ao átomo, aumentando a sua energia cinética. Pode-se dizer, portanto, que, quando o elétron colide com os átomos, fazem com que os núcleos vibrem com maior intensidade. O grau de agitação molecular é chamado de temperatura, ou seja, quando os elétrons colidem, aumentam a energia cinética dos átomos, sua temperatura.Nos resistores elétricos pode-se calcular a potência dissipada utilizando a lei de Joule:

Aplicações: Diferentes tensões no transporte da energia elétrica É, principalmente, por causa do efeito Joule que a energia elétrica é transportada em longas distâncias em tensões mais altas (geralmente 13.200 V) e também a tensão das zonas rurais é 220V e 440V e nas urbanas 220V e 380V. A maior tensão permite que a corrente seja menor (para uma mesma potência , ) e assim menos energia desperdiçada no efeito Joule (o outro motivo é o uso de cabos mais finos em secção reta com a economia do material condutor e estrutura de sustentação). Em aquecedores, lâmpadas e fusíveis é a lei de joule (juntamente com outras de transferência de calor) que permite calcular as dimensões adequadas para o correto funcionamento destes dispositivos.

3 – Estudo dos Termopares

A seguir, serão descritos os tipos de termopares existentes no mercado, suas aplicações, seus princípios de funcionamento entre outras informações.

3.1 - Conceitos e Fundamentos dos termopares

(Parte 1 de 3)

Comentários