Termómetro

Antecedentes

Un termómetro es un dispositivo que se utiliza para medir la temperatura. El termoscopio, desarrollado por Galileo alrededor de 1592, fue el primer instrumento utilizado para medir la temperatura de forma cualitativa. No fue hasta 1611 que Sanctorius Sanctorius, un colega de Galileo, ideó y agregó una escala al termoscopio, facilitando así la medición cuantitativa del cambio de temperatura. En ese momento, el instrumento se llamaba termómetro, de las palabras griegas therme ("calor") y metron ("la medida"). Alrededor de 1644, sin embargo, se hizo evidente que este instrumento, que consta de un gran matraz de bulbo con un cuello largo y abierto, que utiliza vino para indicar la lectura, era extremadamente sensible a la presión barométrica. Para aliviar el problema, el Gran Duque Fernando II de Toscana desarrolló un proceso para sellar herméticamente el termómetro, eliminando así la influencia barométrica exterior. La forma básica ha variado poco desde entonces.

En la actualidad, se utilizan muchos tipos de termómetros:el termómetro registrador utiliza un bolígrafo en un tambor giratorio para registrar continuamente las lecturas de temperatura; los termómetros de lectura digital a menudo junto con otros dispositivos de medición del tiempo; y los tipos domésticos típicos que cuelgan de una pared, un poste o los que se utilizan con fines médicos.

Con un termómetro, la temperatura se puede medir usando cualquiera de las tres unidades principales:Fahrenheit, Celsius o Kelvin. En un momento del siglo XVIII, se habían desarrollado y estaban en uso cerca de 35 escalas de medida.

En 1714, Gabriel Daniel Fahrenheit, un fabricante de instrumentos holandés conocido por su fina artesanía, desarrolló un termómetro utilizando 32 (el punto de fusión del hielo) y 96 (la temperatura estándar del cuerpo humano) como puntos fijos. Desde entonces se ha determinado que 32 y 212 (el punto de ebullición del agua) son los puntos fijos de la báscula, aceptando 98,6 como la temperatura corporal normal y saludable.

El científico sueco Anders Celsius, en 1742, asignó 0 grados como el punto en el que el agua hervía y 100 grados como el punto en el que se derretía el hielo. Estas dos cifras finalmente se cambiaron, creando la escala que conocemos hoy, con 0 grados como el punto de congelación del agua y 100 grados como el punto de ebullición. El uso de esta escala se extendió rápidamente por Suecia y Francia, y durante dos siglos se la conoció como escala centígrada. El nombre se cambió en 1948 a Celsius para honrar a su inventor.

En 1848 otro científico, Lord Kelvin (William Thomson), propuso otra escala basada en los mismos principios que el termómetro Celsius, con el punto fijo del cero absoluto establecido en el equivalente de -273,15 grados Celsius (las unidades utilizadas en esta escala se denominan Kelvin [K]). Los puntos de congelación y ebullición del agua se registran a 273 K y 373 K respectivamente. La escala Kelvin se usa con mayor frecuencia en estudios de investigación científica.

Diseño

El principio de funcionamiento de un termómetro es bastante simple. Una medida conocida de líquido (mercurio, alcohol o un fluido a base de hidrocarburos) se sella al vacío en un tubo de vidrio. El líquido se expande o contrae cuando el aire se calienta o enfría. A medida que cambia el nivel del líquido, se puede leer una escala de temperatura correspondiente para indicar la temperatura actual.

Los fabricantes de termómetros comienzan con espacios en blanco de vidrio con agujeros en el medio; por lo general, se reciben de los fabricantes de vidrio. El depósito de bulbo se forma calentando un extremo del tubo de vidrio y apretándolo para cerrarlo. La bombilla está sellada en su parte inferior, dejando un tubo abierto en la parte superior.
A continuación, con el extremo abierto hacia abajo en una cámara de vacío, el aire se evacua del tubo de vidrio y el fluido de hidrocarburo se introduce en el vacío hasta que penetra en el tubo aproximadamente 1 pulgada. Debido a preocupaciones ambientales, los termómetros contemporáneos se fabrican menos con mercurio y más con un líquido de hidrocarburo lleno de alcohol.

Los termómetros están diseñados de acuerdo con los estándares predefinidos identificados por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, anteriormente la Oficina Nacional de Estándares) y las prácticas de fabricación estándar. Dentro de las pautas reglamentarias, existen disposiciones para la fabricación personalizada de termómetros. Los termómetros personalizados pueden ser tan variados como quienes los usan. Existen diferentes tamaños para la cantidad, el peso y la longitud del vidrio utilizado, el tipo de líquido que se llena en el vidrio, la frecuencia de las gradaciones colocadas sobre el tubo de vidrio o la carcasa e incluso el color de las marcas de la escala de gradación.

Un ingeniero de diseño observará los límites de recorrido del líquido que se utilizará en el termómetro. Una vez que se establecen límites precisos, se pueden determinar las dimensiones del tubo de vidrio y el tamaño del bulbo de vidrio.

Ha aumentado el uso de componentes electrónicos en termómetros. Muchos de los termómetros más utilizados en la actualidad contienen lecturas digitales y ciclos de programas de muestra para retroalimentar la temperatura actual a un diodo emisor de luz (LED) o pantalla de cristal líquido (LCD) panel. Para toda la magia electrónica disponible, un termómetro aún debe contener un elemento sensibilizador de calor-frío para responder a los cambios ambientales.

Materias primas

Los termómetros constan de tres elementos básicos:líquido lleno de alcohol, que responde a los cambios de calor y frío; un tubo de vidrio para albergar el líquido medidor de temperatura; y tinta negra para colorear en las marcas de escala grabadas con números legibles. Además, otros elementos son necesarios para la fabricación de termómetros, incluida una solución de cera que se utiliza para grabar las marcas de escala en el tubo de vidrio; un motor de grabado que realiza gradaciones permanentes en el tubo de vidrio; y una solución de ácido fluorhídrico en la que se sumerge el tubo de vidrio para sellar las marcas de grabado.

El material de vidrio que forma el cuerpo del termómetro generalmente se recibe de un fabricante externo. Algunos productos de termómetro están hechos con una carcasa, que puede estar hecha de plástico o compuestos y puede contener gradaciones de escala en lugar de tenerlas en el tubo de vidrio en sí. El recinto también sirve para proteger y montar el termómetro en una pared, poste o en una caja de protección contra el clima.

El
proceso de fabricación

Aunque existen numerosos tipos de termómetros, a continuación se describe el proceso de producción del más común de ellos, la variedad clásica de uso doméstico.

La bombilla de vidrio

• 1 Primero, el material de vidrio en bruto se recibe de un fabricante externo. El tubo está hecho con un paso fino, o agujero, en toda su longitud. Se comprueba la calidad de los tubos perforados; Las piezas rechazadas se devuelven al fabricante para su reemplazo.
• 2 El depósito del bulbo se forma calentando un extremo del tubo de vidrio, cerrándolo y usando vidrio soplado y la aplicación de un soplete de aire para completarlo. Alternativamente, la bombilla se puede hacer soplando una pieza separada de material de laboratorio que luego se une con un extremo del tubo de vidrio. La bombilla está sellada en su parte inferior, dejando un tubo abierto en la parte superior.

Añadiendo el fluido

• 3 Con el extremo abierto hacia abajo en una cámara de vacío, el aire se evacua del tubo de vidrio y el fluido de hidrocarburo se introduce en el vacío hasta que penetra en el tubo aproximadamente 1 pulgada (2,54 centímetros). Debido a preocupaciones ambientales, los termómetros contemporáneos se fabrican menos con mercurio y más con un líquido de hidrocarburo lleno de alcohol. Esta práctica es un mandato (con tolerancia para un uso limitado de mercurio) por la Agencia de Protección Ambiental (EPA).

  Luego, el vacío se reduce gradualmente, lo que obliga al fluido a descender cerca de la parte superior del tubo. El proceso es el mismo cuando se usa mercurio, excepto que también se aplica calor en la cámara de vacío.

• 4 Una vez lleno, el tubo se coloca sobre el extremo del bulbo. Luego se lleva a cabo un proceso de calentamiento colocando el termómetro en un baño tibio y elevando la temperatura a 400 grados Fahrenheit (204 grados Celsius). A continuación, la temperatura se reduce a temperatura ambiente para devolver el líquido residual a un nivel conocido. Luego, se sella el extremo abierto del termómetro colocándolo sobre una llama.

Aplicación de la escala

• 5 Después de sellar el tubo, se aplica una escala basada en el nivel en el que descansa el líquido cuando se inserta en un baño de agua de 212 grados Fahrenheit (100 grados Celsius) versus uno a 32 grados Fahrenheit (0 grados Celsius). Estos puntos de referencia para la escala deseada se marcan en el tubo de vidrio antes de realizar el grabado o la serigrafía para rellenar las gradaciones.
• 6 Las longitudes de la gama varían según el diseño utilizado. Se elige una escala que se corresponda mejor con las marcas pares entre los puntos de referencia. Por motivos de precisión, el grabado es el método preferido de marcado. Las marcas se hacen mediante un motor de grabado después de que el termómetro se coloca en cera. Los números se rayan en el vidrio y, una vez completo, el termómetro se sumerge en ácido fluorhídrico para sellar las marcas grabadas. Luego, se frota tinta en las marcas para resaltar los valores de la escala. Cuando se utilizan cerramientos en las escalas, se utiliza un proceso de serigrafía para aplicar las marcas.
• 7 Finalmente, los termómetros se empaquetan en consecuencia y se envían a los clientes.

Control de calidad

El proceso de fabricación está controlado por estándares industriales ampliamente adoptados y medidas internas específicas. Las consideraciones de diseño de fabricación incluyen controles de calidad en todo el proceso de producción. El equipo utilizado para realizar las tareas de fabricación también debe recibir un mantenimiento cuidadoso, especialmente con el protocolo de diseño actualizado.

Los materiales de desecho acumulados durante la fabricación se eliminan de acuerdo con las normas reguladoras ambientales. Durante el ciclo de fabricación, el equipo utilizado para calentar, evacuar y grabar el termómetro debe revisarse y calibrarse periódicamente. También se realizan pruebas de tolerancia, utilizando un estándar conocido, para determinar la precisión de las lecturas de temperatura. Todos los termómetros tienen una tolerancia de precisión. Para el hogar común, esta tolerancia suele ser de más o menos 2 grados Fahrenheit (16 grados Celsius). Para el trabajo de laboratorio, generalmente se acepta más o menos 1 grado.

El futuro

Aunque es poco probable que cambie el antiguo termómetro de vidrio simple, otro termómetro Una vez que se forma el depósito del bulbo y se inserta el líquido, la unidad se calienta y se sella. A continuación, se agregan las marcas de escala. Esto se hace mediante grabado, en el que se sumerge el bulbo en cera, se graban las marcas y se sumerge el bulbo en ácido fluorhídrico para sellar las marcas en el vidrio. las formas continúan evolucionando. Con los avances tecnológicos y el uso más generalizado de materiales más ligeros y resistentes, los fabricantes de instrumentos de temperatura integrados electrónicamente pueden proporcionar mediciones de temperatura más precisas con un volumen mínimo de equipo y a un precio asequible. Los termómetros de caja analógica, por ejemplo, se usaron una vez con un cable largo y una punta de sonda para mediciones de temperatura en el suelo, entre otros usos. Hoy en día, las puntas de las sondas están hechas de materiales más livianos y las cajas, cargadas con electrónica digital, no son tan voluminosas y cuadradas. De cara al futuro, el trabajo adicional con el microchip puede proporcionar el ímpetu para digitalizar completamente el proceso de medición de temperatura. Además, eventualmente puede ser posible dirigir un rayo infrarrojo al suelo y extraer una lectura de temperatura de una profundidad objetivo sin siquiera tocar el suelo.