Termopar efeito termoelétrico Seebeck, pode ser visto neste interessante vídeo do Canal Curso Termometria
Termopar efeito Seebeck
O fenômeno do efeito de Seebeck foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck.
Ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura ΔT entre as suas junções.
Denominamos a junção mais quente (T) de junção de teste, e a outra (Tr) de junção de referência.
Este fato permite utilizar um termopar como um termômetro.
O efeito Seebeck se produz pelo fato de que a densidade de carga (elétrons em um metal) difere de um condutor para outro e depende da temperatura.
Tem origem um movimento de carga como se fossem impulsionados por um campo não eletrostático.
A integral curvilínea dente campo ao longo do termopar é a f.e.m. de Seebeck.
Termopar efeito termoelétrico Seebeck, Peltier e Thomson
Quando temos um termopar e as junções mantidas a diferentes temperaturas, três fenômenos ocorrem: o efeito Seebeck, Peltier e o Thomson.
Os estudos das propriedades dos metais levam, na prática, à aplicação dos processos de medições na geração de energia elétrica (bateria solar) e na produção de calor e frio.
O efeito Peltier é estudado no sentido de se obter calor ou frio no processo de climatizar o ambiente.
Thomas Johan Seebeck descobriu este fenômeno em 1821.
Uma corrente contínua circulará pelo circuito; a FEM que produz esta corrente é chamada de FEM térmica (Є) de Seebeck.
- Diferença de temperatura ΔT entre as suas junções (T ≠ Tr).
- O condutor “A” é positivo em relação ao “B”, quando a corrente flui de “A” para “B” pela junta de menor temperatura (junta fria ou de referência).
- Denominamos a junção mais quente (temperatura T) de junção de teste ou junta quente, e a junção mais fria (temperatura Tr) de junção de referência ou junta fria.
- Circuito fechado formado por dois condutores (A ≠ B).
- Quando a temperatura da junção de referência é mantida constante, verifica‑se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura T da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro (termopar).
LEIS FUNDAMENTAIS
Da descoberta dos efeitos termoelétricos partiu‑se através da aplicação dos princípios da termodinâmica à enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com termopares.
Lei do Circuito Homogêneo
“A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios”.
Em outras palavras, a f.e.m. medida depende apenas da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.
Alta Temperatura: O Termopar de isolação Mineral muitas vezes é usado para transpor locais aonde existam altas temperaturas.
Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios termopares, que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas.
Portanto, pode‑se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas.
Lei dos Metais Intermediários
“A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura”. Assim temos que um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas, junções sejam mantidas a temperaturas iguais.
Lei das Temperaturas intermediárias
“A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. dente circuito, com as junções às temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções às temperaturas T2 e T3”.
CORRELAÇÃO DA F.E.M. EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA.
Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre temperatura e a f.e.m., por uma questão prática padronizou‑se o levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0°C.
Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperaturas de 1968 (IPTS‑68), para os termopares mais utilizados.
A partir dessas tabelas podemos construir um gráfico, onde estão relacionadas as milivoltagens gerada em função da temperatura, para os termopares segundo a norma ISA, com a junta de referência a 0°C.
A relação da f.e.m. “E” versus a temperatura “T” é usualmente aproximada através de uma equação do tipo:
E= A + BT + CT² +…
Onde A, B, C…, são constantes experimentais. Se a junta de referência está a 0°C, então A = 0.
Podemos notar então que esta expressão não é linear.
TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS TERMOPARES
Existem várias combinações de 2 metais condutores operando como termopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m.; devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudança de temperatura, que seja detectável pelos equipamentos normais de medição.
Essas combinações foram feitas de modo a se obter uma alta potência termoelétrica, aliando‑se ainda as melhores características como homogeneidade dos fios e resistência à corrosão, na faixa de utilização, assim cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que se tenha a maior vida útil do mesmo.
Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber:
‑ Termopares Básicos, Nobres e Especiais
Termopar Básico Tipo CuCo “T” Cobre / Constantan
São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e/ou sua aplicação admite um limite de erro maior.
TIPO “T” adotada Norma ANSI Cobre – Constantan
Cu (+) Cobre: Elemento formado de Cobre 99,9%.
Co (-) Constantan: Elemento formado por Cobre 58% e Níquel 42% (com variações nestes valores dependendo fabricante).
Nomenclaturas:
T adotada pela Norma ANSI / CuCo.
Termopar Básico Tipo FeCo “J” Ferro / Constantan
Termopares Básicos: São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e/ou sua aplicação admite um limite de erro maior.
TIPO “J” adotada Norma ANSI Ferro – Constantan
Fe (+) Ferro: Elemento formado de Ferro 99,5%.
Co (-) Constantan: Elemento formado por Cobre 58% e Níquel 42% (com variações nestes valores dependendo fabricante).
Nomenclaturas:
J ‑ adotada pela Norma ANSI / FeCo.
Termopar Básico Tipo CrCo “E” Cromel / Constantan
Termopares Básicos: São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e/ou sua aplicação admite um limite de erro maior.
TIPO “E” adotada Norma ANSI Cromel – Constantan
Cr (+) Cromel: Elemento formado de Níquel 90% e Cromo 10%.
Co (-) Constantan: Elemento formado por Cobre 58% e Níquel 42% (com variações nestes valores dependendo fabricante).
Nomenclaturas:
E ‑ adotada pela Norma ANSI / CrCo.
Termopar Básico Tipo CrAl “K” Cromel / Alumel
Termopares Básicos: São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e/ou sua aplicação admite um limite de erro maior.
TIPO “K” adotada Norma ANSI Cromel – Alumel
Cr (+) Cromel: Elemento formado de Níquel 90% e Cromo 10% (+)
Al (-) Alumel: Elemento formado de Níquel 95% e Alumínio, Manganês e Silício (-).
Nomenclaturas:
K ‑ adotada pela Norma ANSI / CrAl.
CA ‑ Adotada pela Norma JIS
NiCr‑Ni ‑ Adotada pela Norma DIN
Termopar Básico Tipo NicNis “N” Nicrosil / Nisil
Termopares Básicos: São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e/ou sua aplicação admite um limite de erro maior.
TIPO “N” adotada Norma ANSI Nicrosil/ Nisil
Nic (+) Nicrosil: Elemento formado de Níquel 83%, Cromo 14% e Silício a 3%.
Nis (-) Nisil: Elemento formado por Níquel 95% e Silício 5%.
Nomenclaturas:
N ‑ Adotada pela Norma ANSI / Nicrosil Nisil
Termopar Nobre Tipo Pt PtRh10% “S” Platina 100% / Platina 90% Ródio 10%
Termopares Nobres: São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios termopares.
TIPO “S” adotada Norma ANSI PtPtRh10%
Pt90% Rh10% (+) : Elemento formado de Platina 90% e Ródio 10% (+).
Pt100% (-) : Elemento formado de Platina 100% (-).
Nomenclaturas:
S ‑ adotada pela Norma ANSI / PtPtRh10%.
Termopar Nobre Tipo Pt PtRh13% “R” Platina 100% / Platina 87% Ródio 13%
Termopares Nobres: São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios termopares.
TIPO “R” adotada Norma ANSI PtPtRh13%
Pt87% Rh13% (+) : Elemento formado de Platina 87% e Ródio 13% (+).
Pt100% (-) : Elemento formado de Platina 100% (-).
Nomenclaturas:
R ‑ adotada pela Norma ANSI / PtPtRh13%.
Termopar Nobre Tipo PtRh6% PtRh30% “B” Platina 94% Ródio 6% / Platina 70% Ródio 30%
Termopares Nobres: São aqueles que os pares são constituídos de platina.
Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios termopares.
TIPO “B” adotada Norma ANSI PtRh6% PtRh30%
Pt70% Rh30% (+): Elemento formado de Platina 70% e Ródio 30% (+).
Pt94% Rh6% (-): Elemento formado de Platina 94% e Ródio 6% (-).
Nomenclaturas:
B ‑ adotada pela Norma ANSI / PtRh6% PtRh30%.
A importância da teoria e dos conceitos
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