Baños de calibración, física y artes obscuras

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¿Cómo es que un baño que funciona perfectamente no es capaz de alcanzar una temperatura dentro de su propio intervalo de operación? ¡Aquí te decimos la respuesta!

Dave compró un baño de calibración, debido al requerimiento de calibrar a -80 °C. Su jefe observa que el intervalo de temperatura del baño es de -80 °C a 110 °C. Percibiendo una nueva fuente de ingresos, dijo: “Genial, ahora también podemos calibrar termómetros a 110 °C”.

– “No”, dijo Dave, “podemos fijar la temperatura arriba de 70 °C”.

– “¿Por qué?, ¿qué ocurre con el baño?”

– “Nada, funciona perfectamente”

Las propiedades del fluido que podrían limitar el intervalo superior de temperatura en un baño de calibración, son:

Debido a las medidas de seguridad, el punto de ignición es una propiedad que proporciona un límite superior en el intervalo de temperatura. Este antiguo video del Departamento de Defensa, explica lo que es el punto de ignición y su relación con la temperatura:

La presión de evaporación en un fluido es un indicador de la velocidad de evaporación del líquido. Fluidos con una alta presión de evaporación se evaporan rápidamente. Por ejemplo, el alcohol etílico se evapora más rápido que el agua a la misma temperatura. El alcohol etílico tiene una presión de evaporación de 1.8 atm a 25 °C, mientras que el agua tiene una presión de evaporación de 0.03 atm a la misma temperatura. Una pronta evaporación resulta costosa porque el fluido tiene que ser remplazado. También causa pérdidas de calor que impactan el desempeño del baño de calibración controlado por la temperatura.

La presión de evaporación incrementa con la temperatura y cuando ésta es igual a la presión del medio ambiente (usualmente la atmosférica) el fluido hierve. Altitudes más elevadas tienen menor presión atmosférica y así la ebullición ocurrirá a bajas temperaturas a altitudes más elevadas. Cuando el fluido está hirviendo, la temperatura del mismo ya no puede subir más, incluso hasta que todo el fluido se ha evaporado.

Limitantes a baja temperatura en el líquido

Las propiedades de los fluidos que podrían limitar el intervalo inferior de temperatura son:

• Viscosidad del fluido.
• Punto de congelación.

La viscosidad mide la resistencia a fluir. Normalmente creemos que se refiere al espesor del fluido. Este breve video ilustra este concepto:

Cuando el coeficiente de viscosidad cinemática es mayor a 10 centi stokes, se creará una tensión en los mecanismos de agitación y de bombeo. De la misma manera, el fluido no transmitirá calor de manera uniforme como se requiere para la calibración.

Normalmente, la viscosidad de un fluido representará un problema mucho antes de que éste se congele (ej. Glicol de etileno) o que alcance el punto de fluidez (ej. aceite de silicona). Pero ese no siempre es el caso. Por ejemplo, el agua se congela a 0 °C, pero la viscosidad del agua no será un problema hasta que se comience a formar hielo.

Un sólo líquido puede no cubrir el intervalo completo del baño

Al inicio de este artículo, el jefe quería utilizar el baño de calibración en toda su gama de operación desde 80 °C a 110 °C. Pareciera razonable que esto fuera posible, pero paradójicamente no es así.

Se forma un panorama más claro, cuando observamos que hay que considerar también el intervalo útil de temperatura del medio líquido en el baño. Resulta decepcionante que la física haya arruinado nuestra diversión. Los puntos de ignición, la viscosidad y la evaporación pueden frustrar nuestros planes de cubrir completamente el intervalo de operación del baño de calibración con un sólo líquido. Aunque no exista un líquido con las propiedades deseadas, al menos podemos decir que existe una mejor explicación para el comportamiento de los baños de calibración que sólo decir “magia negra”.

Sobre el autor:

“Mi primer trabajo real después de graduarme con una licenciatura en física en 1998 ha sido en el laboratorio primario de calibración de temperatura lo que hoy es Fluke Calibration en American Fork Utah”. “He estado compartiendo lo que he aprendido desde entonces en documentos técnicos, talleres, seminarios, webinars y notas de aplicación”

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Fluke Calibration. “Calibration baths, physics, and the black arts”. En http://us.flukecal.com/ [documento en línea: http://us.flukecal.com/blog/calibration-baths-physics-and-black-arts; acceso: diciembre de 2012]

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