Termômetro

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Antecedentes

Um termômetro é um dispositivo usado para medir a temperatura. O termoscópio, desenvolvido por Galileu por volta de 1592, foi o primeiro instrumento usado para medir a temperatura qualitativamente. Foi só em 1611 que Sanctorius Sanctorius, um colega de Galileu, concebeu e acrescentou uma escala ao termoscópio, facilitando assim a medição quantitativa da mudança de temperatura. Nessa época, o instrumento era chamado de termômetro, das palavras gregas therme ("calor") e metron ("a medida"). Por volta de 1644, tornou-se óbvio, no entanto, que este instrumento - compreendendo um grande frasco de bulbo com um longo pescoço aberto, usando vinho para indicar a leitura - era extremamente sensível à pressão barométrica. Para aliviar o problema, o Grão-duque Ferdinando II da Toscana desenvolveu um processo para selar herneticamente o termômetro, eliminando assim a influência barométrica externa. A forma básica mudou pouco desde então.

Existem muitos tipos de termômetros em uso hoje:o termômetro de registro usa uma caneta em um tambor rotativo para registrar continuamente as leituras de temperatura; os termômetros de leitura digital, muitas vezes acoplados a outros dispositivos de medição do tempo; e os tipos domésticos típicos pendurados em uma parede, poste ou aqueles usados ​​para fins médicos.

Com um termômetro, a temperatura pode ser medida usando qualquer uma das três unidades principais:Fahrenheit, Celsius ou Kelvin. Em um ponto durante o século XVIII, quase 35 escalas de medida haviam sido desenvolvidas e estavam em uso.

Em 1714, Gabriel Daniel Fahrenheit, um fabricante de instrumentos holandês conhecido por seu excelente artesanato, desenvolveu um termômetro usando 32 (o ponto de derretimento do gelo) e 96 (a temperatura padrão do corpo humano) como seus pontos fixos. Desde então, foi determinado que 32 e 212 (o ponto de ebulição da água) são os pontos fixos da escala, com 98,6 sendo aceitos como a temperatura corporal normal e saudável.

O cientista sueco Anders Celsius, em 1742, atribuiu 0 graus como o ponto em que a água ferveu e 100 graus como o ponto em que o gelo derreteu. Essas duas figuras foram eventualmente trocadas - criando a escala que conhecemos hoje - com 0 graus como o ponto de congelamento da água e 100 graus como o ponto de ebulição. O uso dessa escala espalhou-se rapidamente pela Suécia e França e, durante dois séculos, foi conhecida como escala centígrada. O nome foi alterado em 1948 para Celsius para homenagear seu inventor.

Em 1848, outro cientista, Lord Kelvin (William Thomson), propôs outra escala baseada nos mesmos princípios do termômetro Celsius, com o ponto fixo do zero absoluto fixado no equivalente a -273,15 graus Celsius (as unidades usadas nesta escala são chamadas Kelvin [K]). Os pontos de congelamento e ebulição da água são registrados em 273 K e 373 K, respectivamente. A escala Kelvin é mais frequentemente usada em estudos de pesquisa científica.

Design

O princípio de funcionamento de um termômetro é bastante simples. Uma medida conhecida de líquido (mercúrio, álcool ou um fluido à base de hidrocarboneto) é selada a vácuo em um tubo de vidro. O líquido se expande ou contrai quando o ar é aquecido ou resfriado. Conforme o nível do líquido muda, uma escala de temperatura correspondente pode ser lida para indicar a temperatura atual.

Os fabricantes de termômetros começam com vidros vazios com furos no meio; geralmente são recebidos de fabricantes de vidro. O reservatório do bulbo é formado aquecendo uma extremidade do tubo de vidro e apertando-o para fechá-lo. A lâmpada é selada na parte inferior, deixando um tubo aberto na parte superior.
Em seguida, com a extremidade aberta para baixo em uma câmara de vácuo, o ar é evacuado do tubo de vidro e o fluido de hidrocarboneto é introduzido no vácuo até que penetre no tubo cerca de 1 polegada. Devido a questões ambientais, os termômetros contemporâneos são fabricados menos com mercúrio e mais com um hidrocarboneto líquido cheio de álcool.

Os termômetros são projetados de acordo com padrões predefinidos identificados pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST, anteriormente denominado National Bureau of Standards) e práticas de fabricação padrão. Dentro das diretrizes regulamentares, existem disposições para a fabricação personalizada de termômetros. Termômetros personalizados podem ser tão variados quanto aqueles que os utilizam. Existem tamanhos diferentes para a quantidade, peso e comprimento do vidro usado, o tipo de líquido colocado no vidro, a frequência das gradações colocadas no tubo de vidro ou invólucro e até mesmo a cor das marcas da escala de gradação.

Um engenheiro de projeto examinará os limites de deslocamento do líquido a ser usado no termômetro. Uma vez que limites precisos são estabelecidos, as dimensões do tubo de vidro e o tamanho do bulbo de vidro podem ser determinados.

O uso de componentes eletrônicos em termômetros tem crescido. Muitos dos termômetros amplamente usados ​​hoje contêm leituras digitais e ciclos de programa de amostra para realimentar a temperatura atual para um diodo emissor de luz (LED) ou tela de cristal líquido (LCD) painel. Apesar de toda a magia eletrônica disponível, um termômetro ainda deve conter um elemento de sensibilização de calor-frio para responder às mudanças ambientais.

Matérias-primas

Os termômetros consistem em três elementos básicos:líquido cheio de álcool, que responde às mudanças de calor e frio; um tubo de vidro para alojar o líquido de medição de temperatura; e tinta preta para colorir nas marcas da escala gravada com números legíveis. Além disso, outros elementos são necessários para a fabricação de termômetros, incluindo uma solução de cera usada para gravar as marcas de escala no tubo de vidro; um motor de gravação que faz gradações permanentes no tubo de vidro; e uma solução de ácido fluorídrico na qual o tubo de vidro é mergulhado para selar as marcas de gravação.

O material de vidro que forma o corpo do termômetro é geralmente recebido de um fabricante externo. Alguns produtos de termômetro são feitos com um invólucro, que pode ser feito de plástico ou compósitos e pode conter gradações de escala em vez de tê-las no próprio tubo de vidro. A caixa também serve para proteger e montar o termômetro em uma parede, poste ou em uma caixa de proteção contra intempéries.

O processo de fabricação

Embora existam vários tipos de termômetros, o processo de produção do mais comum deles - a variedade doméstica clássica - é descrito abaixo.

A lâmpada de vidro

• 1 Primeiro, o material de vidro bruto é recebido de um fabricante externo. O tubo é feito com uma passagem fina, ou furo, em todo o seu comprimento. Os tubos perfurados são verificados quanto à qualidade; todas as peças rejeitadas são enviadas de volta ao fabricante para substituição.
• 2 O reservatório do bulbo é formado pelo aquecimento de uma das extremidades do tubo de vidro, apertando-o para fechá-lo e usando o soprador de vidro e a aplicação de uma tocha a ar para completá-lo. Como alternativa, o bulbo pode ser feito soprando uma peça separada de material de laboratório que é então unida a uma extremidade do tubo de vidro. A lâmpada é selada na parte inferior, deixando um tubo aberto na parte superior.

Adicionando o fluido

• 3 Com a extremidade aberta para baixo em uma câmara de vácuo, o ar é então evacuado do tubo de vidro e o fluido de hidrocarboneto é introduzido no vácuo até que penetre no tubo cerca de 1 polegada (2,54 centímetros). Devido a questões ambientais, os termômetros contemporâneos são fabricados menos com mercúrio e mais com um hidrocarboneto líquido cheio de álcool. Essa prática é obrigatória (com tolerância para um uso limitado de mercúrio) pela Agência de Proteção Ambiental (EPA).
  O vácuo é então gradualmente reduzido, forçando o fluido para baixo próximo ao topo do tubo. O processo é o mesmo quando o mercúrio é usado, exceto que o calor também é aplicado na câmara de vácuo.
  
• 4 Depois de cheio, o tubo é colocado sobre a extremidade do bulbo. Um processo de aquecimento é conduzido colocando o termômetro em um banho quente e aumentando a temperatura para 400 graus Fahrenheit (204 graus Celsius). Em seguida, a temperatura é reduzida à temperatura ambiente para trazer o líquido residual de volta a um nível conhecido. A extremidade aberta do termômetro é então selada, colocando-o sobre uma chama.

Aplicando a escala

• 5 Depois que o tubo é selado, uma escala é aplicada com base no nível em que o fluido repousa quando inserido em um banho de água de 212 graus Fahrenheit (100 graus Celsius) versus um a 32 graus Fahrenheit (0 graus Celsius). Esses pontos de referência para a escala desejada são marcados no tubo de vidro antes da gravação ou serigrafia para preencher as gradações.
• 6 Os comprimentos de alcance variam de acordo com o projeto usado. É escolhida uma escala que melhor corresponda às marcas pares entre os pontos de referência. Para fins de precisão, a gravação é o método preferido de marcação. As marcas são feitas por um motor de gravação após o termômetro ser colocado na cera. Os números são riscados no vidro e, uma vez concluído, o termômetro é mergulhado em ácido fluorídrico para selar as marcações gravadas. A tinta é então esfregada nas marcas para destacar os valores da escala. Quando os gabinetes são usados ​​nas escalas, um processo de serigrafia é usado para aplicar as marcas.
• 7 Finalmente, os termômetros são embalados adequadamente e enviados aos clientes.

Controle de qualidade

O processo de fabricação é controlado por padrões da indústria amplamente adotados e medidas internas específicas. As considerações do projeto de fabricação incluem verificações de controle de qualidade em todo o processo de produção. O equipamento utilizado para realizar as tarefas de fabricação também deve ser mantido com cuidado, especialmente com protocolo de projeto atualizado.

Os resíduos acumulados durante a fabricação são descartados de acordo com os padrões regulatórios ambientais. Durante o ciclo de fabricação, os equipamentos usados ​​para aquecer, evacuar e gravar o termômetro devem ser verificados e calibrados regularmente. Testes de tolerância também são realizados, usando um padrão conhecido, para determinar a precisão das leituras de temperatura. Todos os termômetros têm tolerância para precisão. Para a família comum, essa tolerância é geralmente mais ou menos 2 graus Fahrenheit (16 graus Celsius). Para trabalho de laboratório, mais ou menos 1 grau é geralmente aceitável.

O Futuro

Embora seja improvável que o termômetro de vidro simples de longa data mude, outro termômetro Depois que o reservatório do bulbo é formado e o líquido inserido, a unidade é aquecida e selada. Em seguida, as marcações de escala são adicionadas. Isso é feito por meio de gravura, em que o bulbo é mergulhado em cera, as marcas gravadas e o bulbo mergulhado em ácido fluorídrico para selar as marcas no vidro. as formas continuam a evoluir. Com os avanços tecnológicos e o uso mais difundido de materiais mais leves e fortes, os fabricantes de instrumentos de temperatura integrados eletronicamente podem fornecer medições de temperatura mais precisas com volume mínimo de equipamento e a um preço acessível. Termômetros analógicos, por exemplo, já foram usados ​​com um fio longo e ponta de prova para medições de temperatura no solo, entre outros usos. Hoje, as pontas das sondas são feitas de materiais mais leves e as caixas, carregadas com eletrônicos digitais, não são tão volumosas e quadradas. Olhando para o futuro, o trabalho futuro com o microchip pode fornecer o ímpeto para digitalizar totalmente o processo de medição de temperatura. Além disso, pode ser possível direcionar um feixe infravermelho para o solo e extrair uma leitura de temperatura de uma profundidade alvo, mesmo sem tocar o solo.