O Efeito Seebeck aplicado na Termometria., Slides de Energia

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INSTITUTO DE FÍSICA

UFRJ

Projeto de instrumentação de final de curso

O Efeito Seebeck

aplicado na Termometria.

Jader dos Reis Borges.

I. F. U. F. R. J.

B I B L I O T E C A

REGISTR. ^ DATA

Rio de Janeiro.

Maio de 2012.

Jader dos Reis Borges. DRE: 110085469.

O EFEITO SEEBECK APLICADO NA

TERMOMETRIA.

Monografia apresentada ao Curso de Licenciatura em Física, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como requisito parcial à obtenção do título de Licenciado em Física.

Orientador: Hélio Salim de Amorim.

AGRADECIMENTOS

A Deus, por ter saúde e condições para ampliar meus estudos. Ao meu pai Nilton, que sempre fez de tudo para não faltar nada a nossa família e me oferecer bons estudos, além disso, foi a pessoa que me mostrou a possibilidade de estudar em uma universidade federal. À minha querida mãe Josiane, por oferecer o melhor suporte possível em minha vida, pelos vários terços rezados para meu bem, pelos conselhos e força quando mais precisei. À minha namorada Dai por estar sempre ao meu lado, cuidar de mim e fazer com que não desanime. À minha irmã Fernanda ao acreditar em mim. Além disso, me deu um presente e mais um motivo para vencer na vida, meu sobrinho e afilhado Bernardo. Ao meu orientar, e professor Hélio Salim, por estar sempre disposto para dar valiosos conselhos e oferecer seu tempo do início ao fim da monografia. À minha madrinha Ozana meu anjo da guarda e meus avós. À diretora Lúcia, por garantir uma boa escola para mim. Ao Pré-vestibular para Negros e Carentes tornar possível o ingresso na universidade. A Pedro Helpa da Alutal, por disponibilizar as informações que precisava, além de enviar sem custo algum algumas ligas para termopar. Aos técnicos do instituto de Física por fornecerem os equipamentos necessários para experiência e pela soldagem na junção dos termopares. Aos meus amigos Sandro e Bruno por me acolherem no início da faculdade. A todos meus familiares, amigos e professores que me deram um voto de confiança e sempre tiveram a certeza que esse dia iria chegar.

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A educação, qualquer que seja ela, é sempre uma teoria do conhecimento posta

em prática.

Paulo Freire.

IV

RESUMO Nesse trabalho o foco será o Efeito Seebeck (transformação direta de Energia Térmica para Energia Elétrica) como um método para medir temperaturas, esse fenômeno deve ser discutido, preferencialmente, nas escolas técnicas. É interessante notar que sua descoberta não é recente tem quase 200 anos. Mesmo assim na maioria dos livros de Ensino Médio o Efeito Seebeck não é comentado. Todavia, nota-se que a discussão desse tema favorece a inclusão cientifica e tecnológica dos alunos como preconizada pelo PCN+ e pela LDB (lei n° 9394/96). A abordagem em sala de aula tem como meta mostrar a importância desse efeito (transformação de energia) para os alunos e uma de suas aplicações - medição de temperatura. O Efeito Seebeck é um tema que tem necessidade de alguns conceitos introdutórios e úteis, definidos no primeiro capitulo, a fim de esclarecer possíveis confusões dos alunos e orientando o professor. Em seguida, foi reunida toda informação necessária para o professor discutir o Efeito Seebeck em sala de aula, já que este tema não é facilmente encontrado nos livros. Por fim, temos a proposta do plano de aula baseada no PCN+. O tema abordado é um assunto envolvido no mundo tecnológico e em desenvolvimento, nesse sentido oferecemos aos professores mais uma opção possível a ser percorrida. O plano de aula fundamenta-se na utilização de kits (dois termopares), que utilizados em associação com a parte teórica procuram trazer a experimentação para sala de aula facilitando a construção do conhecimento discente.

CAPÍTULO l - INTRODUÇÃO.

1.1 - OBJETIVO.

Esse trabalho se concentrará no efeito Seebeck fenômeno físico relacionado à conversão de calor em eletricidade. Ele ocorre quando uma corrente elétrica passa por fios condutores distintos devido à diferença de temperatura entre as junções. Essa descoberta possibilitou a criação dos termopares que são os termômetros mais utilizados industrialmente na medição de temperatura. De acordo com (BRASIL, Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica, p. 24) o ensino médio integrado ao ensino técnico, sob uma base unitária de formação geral, é uma condição necessária para fazer a "travessia para uma nova realidade" e o PCN+ (BRASIL, apud MEC, 2002, p. 17) diz que o ensino médio tem objetivo de formar um aluno que perceba a importância do conhecimento físico no desenvolvimento da tecnologia e a relevância contemporânea dos processos e fenômenos físicos, cobrindo diferentes campos de fenômenos e diferentes formas de abordagem, privilegiando as características mais essenciais que dão consistência ao saber permitindo um olhar investigativo sobre o mundo real. Portanto, o Efeito Seebeck na educação profissional técnica de nível médio, tem o propósito de apresentar aos alunos a existência de outras maneiras de medir temperatura diferente dos termômetros de mercúrio ou álcool, no nosso caso os termopares que são importantes na termologia atual. A demonstração dessa transformação e sua utilidade gira em torno de dois kits, consistindo de termopares rústicos que podem ser feitos em casa. O primeiro tem apenas uma junção que exposta ao calor eleva a tensão no multímetro comprovando a teoria de Seebeck para os alunos. O segundo têm duas junções - uma é mantida à temperatura de referência (0°C) e a outra à temperatura que se deseja medir. Com a ajuda de um amplificador operacional e termômetro de mercúrio o termopar pode ser calibrado em torno de temperaturas conhecidas. Esse fenômeno é desconhecido, também, por grande parte dos professores. Portanto, esse trabalho pretende agregar as informações obtidas em sites e livros criando subsídios para o docente construir um bom plano de aula.

As atividades experimentais permitem, no processo de ensino/aprendizagem, recuperar possíveis atrasos e permitem o desenvolvimento de competências, pois os discentes trabalham com medições de grandezas físicas fundamentais como temperatura, tempo e matemáticas como frações e medidas para uma finalidade prática, a calibração do termopar.

1.3 - CONCEITOS RELEVANTES.

A introdução desse fenômeno requer uma noção dos alunos sobre energia, termologia e eletricidade. Contudo, os três tópicos estão em um nível fundamental. A parte matemática é importante, mas as experiências são suficientes para a compreensão dos discentes exigindo, principalmente, regras de três para calibração do termopar. Esses conceitos servem como guia para os professores como possíveis causadores de problemas no entendimento dos alunos. Assim, são necessárias algumas observações: Calor é a energia em trânsito de um corpo a uma temperatura mais alta para outro a uma temperatura mais baixa. O sentido da transferência espontânea de energia é sempre do corpo que está mais quente para um vizinho mais-frio (Hewitt, Paul G., Física Conceituai, 9a Ed., 2002, Addison Wesley, p. 270). Temperatura é a quantidade que informa quão quente ou frio é um objeto em relação a algum padrão. Mais especificamente, a temperatura é proporcional à energia cinética média "translacional" do movimento molecular (pelo qual as moléculas se movimentam de um lugar a outro). O que o termômetro de fato revela é sua própria temperatura, se conhecermos a temperatura do termômetro, então conhecemos a temperatura do corpo em contato (Hewitt, Paul G., Física Conceituai, 9a^ Ed., 2002, Addison Wesley, p. 269-270). Escala termométrica: A primeira escala de temperatura foi a de Farenheit em 1714, no qual convencionou 32°F para a temperatura de congelamento de uma mistura entre gelo e amônia e 212°F para a temperatura de ebulição da água. A diferença entre estes pontos foi dividida em 180 partes iguais a qual se deu o nome de grau Farenheit. Mais tarde, Celsius definiu o ponto de fusão do gelo como 0°C e o ponto de ebulição da água como 100°C - medidas feitas ao nível do mar, ou seja, sobre pressão normal. O intervalo entre esses dois números é dividido em 100 partes iguais, cada uma correspondendo a l grau Celsius ou centígrados. No princípio de 1800, William Thomson (Lord Kelvin) desenvolveu uma escala termodinâmica universal, baseada no coeficiente de expansão de um gás ideal. Kelvin 4

estabeleceu o conceito de zero absoluto e a sua escala permanece como padrão para a termometria moderna. Zero absoluto ou Zero Kelvin é um limite onde todos os gases, não importando sua pressão inicial ou seu volume inicial, variam em 1/273 de seu volume a 0°C para cada variação de l grau Celsius em sua temperatura, desde que a pressão se mantenha constante. Assim, se um gás a 0°C fosse resfriado em -273°C, ele se contrairia, de acordo com essa lei, em 273/273 de seu volume a 0°C, com o quê seu volume seria reduzido à zero. Obviamente, não podemos ter na natureza uma substância ocupando um volume nulo. Qualquer gás, contido em um recipiente qualquer com volume fixo, varia em 1/273 de seu valor a 0°C para cada alteração de l grau Celsius em sua temperatura (Hewitt, 2009, p. 312-313). Volume 2 73k =^ l ~ — =^ O- Na prática, todo gás se liqüefaz antes que esfrie até essa temperatura. Apesar disso, essas diminuições em 1/273 para cada diminuição de um grau sugere a idéia de que existe um mínimo para a temperatura: -273°C. De modo que existe um limite para o frio. Quando os átomos e moléculas perdem toda sua energia cinética disponível, eles atingem a temperatura de zero absoluto, mais precisamente -273,15°C. As equações de conversão das unidades mais usadas na termometria moderna são: °C = (°F-32).5— ; K = °C + 273, Existem outras escalas porem são de pouco uso. Diferença de potencial (V) Considerando um corpo eletrizado criando um campo elétrico no espaço em sua volta. Considere dois pontos, A e B, neste campo elétrico. Se uma carga de prova positiva q for abandonada em A, sobre ela atuará uma força elétrica F devida ao campo. Suponha ainda que, sob a ação desta força, a carga se desloque de A para B. Como sabemos neste deslocamento a força elétrica estará realizando um trabalho, que vamos designar por TAB. Em outras palavras. TAB representa certa quantidade de energia que a força elétrica F transfere para a carga q em seu deslocamento de A para B. Uma grandeza muito importante no estudo dos fenômenos elétricos esta relacionada com este trabalho. Esta grandeza é denominada diferença de potencial entre os pontos A e B, sendo representado por VA-VB (NICOLAU, G. F.; TOLEDO, P.; RAMALHO JR, Fundamentos da Física Moderna - vol. 3, 1985, p. 49-50).

""-"-T

Tabela l — Aperfeiçoamento da escala prática internacional de temperatura. Pontos Fixos Ebulição do oxigênio Ponto triplo da água Solidificação do estanho Solidificação do zinco Solidificação da prata Solidificação do ouro

IPTS- -182,962°C +0,010°C +231,968°C +419,580°C +961,930°C

• 1064,430°C

IPTS- -182,954°C +0,010°C +231,928°C 419,527°C +961,780°C +1064,180°C

Assim como a determinação dos pontos fixos temos os sensores, detectores ou elementos primários de temperatura. Ou seja, qualquer grandeza (comprimento, pressão, volume etc.) que altera naturalmente com a alteração de temperatura é chamada de grandeza termométrica. Como exemplo poderíamos citar a dilatação do mercúrio (a grandeza termométrica é o comprimento) em um termômetro de vidro, o mercúrio é chamado de substância termométrica. Dos inúmeros tipos de sensores de temperatura existentes, os mais utilizados são os termopares e as termoresistências. Os termopares são sensores de maior uso industrial para medição de temperatura. Eles cobrem uma faixa bastante extensa que vai de -200°C a 2300°C aproximadamente, com uma boa precisão, tudo isto a um custo que se comparado com outros tipos de sensores de temperatura são mais econômicos (CHATLE M. V.; Divisão de Metrologia).

CAPITULO 2 - O EFEITO SEEBECK.

2.1 - CONTEÚDO HISTÓRICO.

A termoeletricidade tem a sua origem em Alessandra Volta (1800), físico italiano. Ele concluiu que a eletricidade causadora dos espasmos nas pernas de sapo, estudadas por Luigi Galvani (1780), era devida a um contato entre dois metais diferentes. Essa conclusão foi à precursora do princípio do termopar. Após a descoberta de Volta, outros cientistas passaram a pesquisar os efeitos termoelétricos, dos quais podem ser destacados Thomas Seebeck (1821), Jean Peltier (1834) e William Thomson (Lord Kelvin) (1848-1854), e que deram origem às denominações dos três efeitos básicos da termomeíria termoelétrica. Estes efeitos podem ser relacionados entre si e são conhecidos como efeitos termoelétricos porque envolvem temperatura e eletricidade. Os três efeitos referidos são o efeito Seebeck, que é o relevante para os termopares, e os efeitos Peltier e Thomson, que descrevem o transporte de energia por calor por intermédio de uma corrente elétrica. Os efeitos Peltier e Thomson não são importantes na metrologia da temperatura e quando presentes originam erros na medição (CHATLE M. V.; Divisão de Metrologia).

Figura l — Thomas Johann Seebeck (htt|)://en.vvikipedia.org/wiki/Thomas_Johann_Seebeck).

desvia - não há corrente elétrica envolvida. Seebeck se irrita bastante com a comunidade científica por sugerir que a variação de temperatura gera uma corrente elétrica, essa corrente produz, então, um campo magnético. Ele ataca essa posição reclamando que a experiência de Oersted cegou os cientistas, pois interpretam tudo à luz de correntes elétricas causando campos magnéticos e são incapazes de raciocinar de outra forma. Mas, o argumento de Seebeck não consegue explicar por que não há campo magnético produzido pela variação de temperatura quando o circuito é quebrado por materiais diferentes que são, no entanto, bons condutores térmicos. Então, o ponto de vista termoelétrico prevalece, e é confirmado mais tarde que uma corrente elétrica é de fato produzida pela diferença de temperatura entre as duas junções de um circuito bi metálico fechado. Seebeck publicou suas descobertas sobre termomagnetismo em 1822-1823'. Ele experimentou formas diferentes do mesmo metal e metais diferentes e descobriu os efeitos da corrente elétrica ou, no seu caso, desvios de sua agulha magnética quando a união dos metais é aquecida. Logo percebeu que a corrente elétrica flui continuamente em torno do circuito criado quando dois fios de metais diferentes forem unidos por uma junção soldada e depois aquecida. Este fluxo contínuo de corrente com o calor era diferente do que o de corrente voltaica que ele estava tão familiarizado. Ele continuou a fazer experimentos sobre esse assunto, soldou uma barra de antimônio a uma barra de bismuto. Quando a junção era aquecida a agulha magnética era desviada do bismuto para o antimônio, quando resfriada ia à direção oposta. Mais tarde, a observação foi feita de tal modo que, os metais foram arranjados de acordo com suas propriedades em relação ao seu aquecimento e uma série foi formada: antimônio, ferro, zinco, prata, ouro, chumbo, mercúrio, cobre, platina e bismuto. Quanto maior o contraste entre os metais, maior será a força eletromotriz. Antimônio e bismuto formaram a melhor junção. Seebeck também formou um circuito composto de cobre e bismuto em que ele tinha uma junção dos metais em uma mão, observou que a agulha desviava a punir da diferença de temperatura das junções causada pelo calor de sua mão. Seebeck estabeleceu com seus termoelementos uma série de "'tensões termotérmicas". Essas "tensões" trabalhadas por Seebeck, foram mais tarde reconhecidas como forças eletromotrizes termoelétricas (e), depois dos trabalhos do físico alemão Wilhelm Gottilieb Hankel .(1814-1899), desenvolvidos a partir de sua tese de doutorado defendida na

'Como "Magnetische Plarisation der Matalle und durch erze Temperatur-Differenz. Abhandlungen der 10

Universidade de Halle, em 1839, e publicados em 1840 e 1842. Com o aparecimento dessa tensão nos termoelementos cria-se precedente para construção de termômetros, os termopares (SEEBECK História, p. 1).

Figura 2 - Aparelho usado por Seebeck na descoberta do efeito termomagnético (http://e- ducation.net/physics.htm).

Além do impacto da termoeletricidade na teoria, esse efeito é usado em termopares para medição de temperatura. Mesmo após a publicação de Hankel, a observação de Seebeck manteve-se bastante obscurecida por cem anos até que Shockley e associados inventaram os semicondutores. Segundo (SBF, p. 9)^2 Seebeck se tornou membro da Academia de Ciências de Berlim e da Academia Francesa de Ciências em 1825. Thomas Seebeck com 61 anos morreu em Berlim, na Alemanha, em l O de Dezembro de 1831.

' Disponível em: http://faraday.fc.up.pt/wyp/4/Día-9.html.

Uma aplicação desta lei é que podemos medir temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as suas junções.

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Figura 4 - Circuito homogêneo (http://www.iope.com.br).

b) LEI DOS METAIS INTERMEDIÁRIOS.

A F.E.M. gerada por um par termoelétrico não será alterada se inserirmos em qualquer ponto do circuito, um metal genérico diferente dos que compõem o sensor, desde que as novas junções formadas sejam mantidas na mesma temperatura. Uma aplicação prática desta lei é o uso dos contatos de latão ou cobre no bloco de ligação, para a interligação do termopar ao seu cabo (AMARAL, p. 73).

B(-) SB T, B(-) Figura 5 - Metal intermediário (http://www.iope.com.br).

c) LEI DAS TEMPERATURAS INTERMEDIÁRIAS.

A F.E.M. gerada em um circuito termoelétrico com suas junções às temperaturas 7\ e T 3 respectivamente, é a soma algébrica da F.E.M. gerada com as junções às temperaturas 7\ e T 2 e a F.E.M. do mesmo circuito com as junções às temperaturas de T 2 e 7 3. Uma conseqüência desta lei é o uso dos cabos compensados, que tendo as mesmas características termoelétricas do termopar. podem ser introduzidos no circuito sem causar erros no sinal gerado (AMARAL, p. 72).

F.E.M. = E (^) F.E.M.

F.E.M. = Ea » Ê, + Es

E (^) , - ptTi Ej - Ê,, se somarmos C, + E,

portanlo;

E;.,-Er;,= - E,^ ETS^ = s - -^ e, * üjE^ -t-^ Ê Figura 6 — Temperatura intermediária (http://www.iope.com.br).

d) ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE DOS TERMOPARES.

A associação em série é utilizada quando se deseja ampliar o sinal elétrico gerado pelo termopar. A aplicação mais comum desse tipo de associação é encontrada nas termopilhas dos pirômetros de radiação, pois como a intensidade de calor que atinge a junta de medida é muito pequena, precisamos de uma montagem em série, para que a tensão elétrica gerada seja suficiente para sensibilizar os aparelhos de medição (AMARAL, p. 73).

Figura 7-Associação em série. O sinal de um termopar é a F.E..M. "E". A associação em série com 4 termopares iguais será "4E" (http://www.iope.com.br).

e) ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DOS TERMOPARES.

Para medirmos a temperatura média ao longo de um grande duto, em grandes fornos ou equipamentos onde a medida pontual não é significativa, podemos usar os termopares,

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