G3 Ensino de Ciências (Física, química e biologia)

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1 CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DE UM TERMÔMETRO DIGITAL DE BAIXO CUSTO G3 Ensino de Ciências (Física, química e biologia) Fabrício Pimenta Neto (MA)/ fapineto@gmail.com Mauro Sérgio Teixeira de Araújo Resumo Neste artigo propomos a construção e validação de um Termômetro Digital de baixo custo É um instrumento composto por uma substância que possua uma propriedade termométrica, isto é, uma propriedade que varia com a temperatura.. Dentre os componentes necessários Um termômetro é um aparelho usado para medir a temperatura ou as variações de temperatura. para montagem do seu circuito está o LM 35 DZ (sensor de temperatura) e um multímetro digital. Nossa motivação surgiu da necessidade de medidas de temperatura em experimentos de termodinâmica com certa precisão e um tempo de resposta rápido. Durante a construção do artigo realizamos dois experimentos, sendo um deles para comprovar a linearidade do sensor e outro para validar sua precisão. O Termômetro Digital também apresentou algumas características adicionais, como robustez, facilidade de construção, baixo custo, e resposta rápida a variações de temperatura. Para a realização da calibragem do Termômetro Digital utilizamos um termômetro de mercúrio por possuir uma substância com propriedade de se modificar de modo regular com a temperatura. Os dados obtidos e descritos nos gráficos, durante a realização dos experimentos, comprovam a linearidade do material utilizado na construção do sensor de temperatura (LM 35 DZ) bem como precisão e rapidez na medida da temperatura, o que caracteriza um desempenho satisfatório. Palavras-chave: Termômetro Digital de baixo custo, Temperatura, Circuito Integrado LM 35 DZ, Termodinâmica. Introdução Um dos desafios dos professores que ministram as disciplinas de Ciências, Química, Física e Biologia é por em prática a parte teórica estudada, principalmente quando os experimentos necessitam de precisão e rapidez na leitura da temperatura. Medir a temperatura corretamente é muito importante em todos os ramos da ciência, pois muitas propriedades físicas dos materiais dependem da sua temperatura. Por exemplo, a fase do material, se ele é sólido, líquido ou gasoso, tem relação com sua temperatura. Outras propriedades como a densidade, a solubilidade, a pressão de vapor, a condutividade elétrica, entre várias, dependem da temperatura. A temperatura do corpo humano, mantido constante em torno de 37ºC, regula inúmeros processos 1

2 biológicos e químicos. A temperatura nos revela a noção comum do que é quente ou frio. Percebemos que a medida e, até mesmo o controle da temperatura nos dias atuais desempenham um papel muito importante, seja nas indústrias, nos laboratórios didáticos e científicos, na medicina e até mesmo em residências. Constantemente estamos medindo e controlando a temperatura de grandes variedades de objetos nas mais diversas circunstâncias. Termômetros Para medir a temperatura de um corpo, é preciso encontrar alguma propriedade que se relacione com a energia de agitação de seus átomos e moléculas. Como existem diversas propriedades de grandezas relacionadas à energia de átomos e moléculas, é possível construir instrumentos que possibilitem medir a temperatura. É interessante observar que a grandeza temperatura talvez tenha sido a primeira grandeza termodinâmica a ser medida. Isto foi feito por Galileu em 1592 utilizando um termoscópio de ar construído por ele. A partir do termoscópio de Galileu, diversos termômetros foram construídos (HALLIDAY et al, 2003). Em 1640, o grande Duque Ferdinando II ( ) da Toscana, um dos fundadores da Academia Florentina do Experimento, constrói o primeiro termômetro de álcool, cuja aplicação se dá nas áreas de medicina, agricultura e meteorologia (HALLIDAY et al, 2003). Em 1713, o alemão Daniel Gabriel Fahrenheit ( ), operário de uma fábrica de vidro, constrói um termômetro a álcool, que logo depois é substituído por um de mercúrio. Ele também passa a trabalhar com pontos fixos de temperatura: a temperatura de ebulição da água (que ele definiu como sendo 212 F) e o ponto de fusão do gelo (32 F), que definem hoje em dia a escala conhecida como escala de Fahrenheit (HALLIDAY et al, 2003). Numa tentativa de aperfeiçoamento e na obtenção de medidas mais precisas, o zoólogo francês René A. F. de Réaumur ( ) e o astrônomo sueco Anders Celsius ( ) estabeleceram as escalas de Réaumur e Celsius, respectivamente (HALLIDAY et al, 2003). Em 1817, o relojoeiro francês Abraham Louis Breguet ( ) constrói termômetros metálicos que deram origem aos termógrafos: termômetros registradores (HALLIDAY et al, 2003) 2

3 Todos os termômetros acima citados baseiam-se num mesmo processo: O aparelho entra em equilíbrio térmico com o sistema cuja temperatura se busca medir (lei zero da termodinâmica); Alguma grandeza física do elemento sensor é afetada pela temperatura (o volume do líquido, no caso dos termômetros por princípio de dilatação; a resistência elétrica; a diferença de potencial, dentre outros). Há outros termômetros que utilizam princípios diferentes, por exemplo, medindo a energia irradiada pelo objeto que está aquecido. Medida de Temperatura Existem diversas grandezas físicas que se modificam quando variamos nossa percepção fisiológica de temperatura. Entre elas estão a expansão volumétrica de líquidos e gases, a dilatação linear de lâminas bimetálicas, a resistividade elétrica de materiais condutores, a diferença de potencial elétrico entre as junções de um termopar, a intensidade e comprimento de onda da radiação emitida por um corpo (principalmente radiação infravermelha) e até mesmo a cor do filamento de uma lâmpada. Qualquer uma destas grandezas pode ser usada para a construção de um termômetro. Para isto é necessário a construção de uma escala termométrica. A definição desta escala termométrica é feita admitindo-se uma relação monotônica contínua entre a propriedade termométrica da substancia escolhida e a temperatura medida em uma escala conhecida. Note que a escolha de uma substância e de sua propriedade termométrica, juntamente com a relação admitida entre a propriedade e a temperatura, conduz a uma escala termométrica específica. Escala Celsius A Escala Celsius é, hoje, usada em praticamente todo o mundo. Foi criada em 1742 pelo astrônomo sueco Anders Celsius (HALLIDAY et al, 2003). Ele estabeleceu pontos fixos da sua escala como sendo os pontos de fusão do gelo e de ebulição da água, ou seja, 0 C para o ponto de fusão de gelo e 100 C para o ponto de ebulição da água. Termômetro de Mercúrio Um termômetro é um instrumento que mede quantitativamente a temperatura de um sistema. A maneira mais fácil de se fazer isso é achar uma substância que possua uma propriedade que se modifica de modo regular com a temperatura. A forma direta mais regular é a forma linear: 3

4 T(x) = ax + b onde T é a temperatura da substância utilizada e muda com a propriedade x da substância. As constantes a e b dependem da substância utilizada e podem ser calculadas especificando dois pontos na escala de temperatura, tais como 0 o para o ponto de congelamento da água e 100 o para o seu ponto de ebulição. O elemento químico mercúrio (o único metal líquido em baixas temperaturas) é líquido no intervalo de temperatura de -38,9 C a 356,7 C e é muito utilizado na fabricação de instrumentos para laboratórios. Estes instrumentos fazem uso das suas mais diversas propriedades físicas, tais como peso específico, fluidez, condutividade elétrica, grande coeficiente de dilatação, além da sua facilidade de purificação. Como todo líquido, o mercúrio expande à medida em que é aquecido e essa expansão é linear, podendo ser calibrada com precisão. Figura 01: Termômetro de Mercúrio. Data: 08/08/2012 Fonte: Acervo do autor. O termômetro de mercúrio em um tubo de vidro está ilustrado na figura 1. Ele contém um bulbo cheio de mercúrio, que é permitido expandir em um tubo capilar (tubo muito fino). A sua taxa de expansão é calibrada na escala de vidro. Termômetro Digital de Baixo Custo Propomos uma maneira de medir a temperatura com precisão e rapidez utilizando material de baixo custo e fácil aquisição. Em nosso experimento utilizamos um multímetro digital, um circuito integrado LM 35 DZ e uma bateria de 9,0 volts. Circuito Integrado LM 35 DZ O sensor de temperatura LM35 possui uma ótima linearidade (+10 mv/ C), não necessita de calibração e possui uma corrente muito baixa, o que evita o rápido descarregamento da fonte (bateria) e seu auto-aquecimento. Circuito integrado LM35 tem aparência de um transistor, mas é um termômetro preciso e sensível sendo barato e fácil de encontrar. Ele fornece a 4

5 temperatura diretamente em graus Celsius. Cada 10 mv na saída corresponde a um grau Celsius. Ou seja, 471 mv = 47,1 C. Um multímetro barato serve como display. A saída do LM 35 varia de -55 C a 150 C com um erro de ±0,75 C Figura 02 : Termômetro Digital de baixo custo, esquema da ligação e seus componentes. Data: 08/08/2012 Fonte: Acervo do autor. Passos para a Construção do Termômetro Digital Materiais Necessários LM35DZ - Termômetro na forma de circuito integrado; bateria de 9 volts; garra jacaré para conectar a bateria de 9 volts (opcional); fio; multímetro ajustado para milivolts; Construção solde os fios no LM35 como indicado na figura 02; solde ou conecte a ligação da pilha; prenda os terminais do multímetro aos fios do circuito usando um conector; ajuste o multímetro para milivolts (2000 mv). Prática para a Calibragem do Termômetro Digital Colocamos 2,0 Kg de água a uma temperatura de 18 graus Célsius (medida no termômetro de Mercúrio) em contato com um ebulidor elétrico de 1000 watts de potência durante um tempo de 240 segundos. 5

6 A calibragem do termômetro digital foi realizada colocando-o próximo a um termômetro de Mercúrio, submersos à mesma altura em relação ao nível da água. Comparamos as leituras indicadas no termômetro digital e no termômetro de mercúrio a cada intervalo de 30 segundos. Tabela 01: Resultados comparativos entre as leituras realizadas nos dois termômetros. Data: 08/08/2012 Fonte: Acervo do autor. Tempo (s) Termômetro Digital ( C) Termômetro de Mercúrio ( C) 0 18,2 18, ,6 22, ,2 26, ,8 29, ,5 34, ,3 36, ,6 40, ,0 43, ,8 47,0 Constatamos, com boa precisão, que a leitura indicada no termômetro digital está de acordo com a leitura realizada no termômetro de Mercúrio, conforme a tabela Tempo (s) Figura 03: Gráfico dos dados coletados durante o experimento. Pelo gráfico da figura 04, constatamos a linearidade do LM 35 DZ. Data: 08/08/2012 Fonte: Acervo do autor. 6

7 Figura 05: Indicação da leitura realizada no termômetro digital e no termômetro de Mercúrio no tempo de 210 segundos. Data: 08/08/2012 Fonte: Acervo do autor. Proposta Experimental para Validação da Calibragem Utilizamos um ebulidor elétrico de potência 1000 W imerso em um recipiente com 2,0 Kg de água à temperatura inicial de 45 C, conforme a figura 06. Ao final de 60 segundos constatamos que a temperatura indicada pelo termômetro digital era de 52,4 C. Como a toca de calor entre o ebulidor e a água foi rápida, desprezamos as perdas de calor para o ambiente. Figura 06 : Aparato experimental. Data: 08/08/2012 Fonte: Acervo do autor. Para validarmos a calibragem do termômetro digital, utilizamos o princípio da conservação da energia. Dados: Potência do ebulidor: 1000 W Massa de água: 2000 g T 0 = 45 C Δt = 60 s (1) 7

8 (2) c água = 4190 J/Kg.K Figura :07 : Temperatura inicial e final do experimento. Data: 08/08/2012 Fonte: Acervo do autor. A figura 07 (temperatura final) demonstra a qualidade de resposta do termômetro digital no momento da medida da temperatura final de nosso experimento, indo de encontro ao resultado obtido no cálculo acima. Considerações finais A utilização do sistema proposto em atividades de ensino do termômetro digital de leitura direta apresenta vantagens significativas do ponto de vista prático em relação aos termômetros de Mercúrio. Inicialmente, deve-se considerar que o termômetro proposto apresenta uma resposta mais rápida em relação ao termômetro convencional de Mercúrio, o qual utiliza o volume do líquido como propriedade termométrica. Para efetuar leituras em um recipiente fechado ou em locais de difícil visualização com um termômetro de Mercúrio, é necessário, muitas vezes, retirar parcialmente o termômetro da posição, o que resulta em dificuldades de leitura e em erro nas medidas. Deve-se considerar, também, a fragilidade dos termômetros de Mercúrio, que pode resultar em quebras durante as aulas. A utilização do sistema proposto minimiza esse problema devido à robustez de sua construção. Referências ANDREY, J. M. Eletrônica básica: teoria e prática. São Paulo: Rideel, BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos,

9 CIPELLI, A. M. V.; SANDRINI, W. J. Teoria e desenvolvimento de projetos de circuitos eletrônicos. 18. ed. São Paulo: Érica, CUTLER, P. Teoria dos dispositivos de estado sólido. São Paulo: McGraw-Hill, HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física. V ed. Rio de Janeiro: LTC, MOREIRA, M. A.; MASINI, E. F. S. Aprendizagem significativa. São Paulo: Moraes, NOVAK, J. D ; MINTZES, J. J ; WANDERSEE, J. H. Ensinando Ciência para a Compreensão. Lisboa: Editora Plátano, VEIT, E. A.; TEODORO, V. D. Modelagem no ensino/aprendizagem de Física e os novos parâmetros curriculares nacionais para o ensino médio. Revista Brasileira de Ensino de Física, São Paulo, v. 24, n. 2, p , jun