Desarrollo de un patrón termométrico basado en la solidificación del estaño

Abstract

La temperatura es una de las magnitudes más importantes en la ciencia, la tecnología y la industria. Aunque su definición teórica está dada por de las leyes de la termodinámica y la mecánica estadística, debido a su importancia, su realización práctica está estandarizada a través de la escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90). Esta escala se basa en la transición de fase de varias sustancias puras, ya que estos procesos se dan isotérmicamente. Las transiciones de fase se realizan en artefactos diseñados para optimizar el contacto de las fases en equilibrio, conocidas como celdas de punto fijo. En esta tesis se diseñó, construyó y evaluó una celda de punto fijo para reproducir la solidificación del estaño de acuerdo a los requisitos de la ITS-90. El diseño se realizó considerado los efectos térmicos que surgen de la interacción entre el horno y la celda a través del modelamiento numérico de los fenómenos de transferencia de calor que ocurren durante el cambio de fase usando el método de los elementos finitos. La construcción se llevó a cabo buscando reducir la incertidumbre de medición debida a la influencia de las impurezas. La calidad del diseño y la construcción de la celda se evaluó a través de la variabilidad a corto y largo plazo en la reproducción de las curvas de solidificación obteniendo una influencia menor al 5% de la incertidumbre total de medición. La incertidumbre estimada en la reproducción del punto de solidificación del estaño fue de 4.0 mK (κ=2) y se demostró que las mediciones son comparables con patrones trazables internacionalmente.

Abstract: The temperature is a key quantity in science, technology and industry. Even though, its theoretical definition is based upon thermodynamics laws and statistical mechanics, due to its importance, the practical realization is standardized through the International Temperature Scale of 1990 (ITS-90). The scale is based on the phase transitions of pure substances, because these processes are isothermal. The phase transitions are realized in artifacts designed to optimize the contact of the phases, known as fixed-point cells. In this thesis, a fixed-point cell for the reproduction of the tin solidification according to the requirements of the ITS-90 was designed, constructed and evaluated. The design was done considering the thermal effects that come from the interaction between the furnace and the cell though the numerical modelling of the heat transfer that takes place in the phase change, using the finite element method. In the construction of the cell, the measurement uncertainty due to the impurities was taken into account. The quality of the cell was evaluated though the short and long-term variability in the reproduction of the solidification curves, it was found an influence less than 5% of the total measurement uncertainty. The estimated uncertainty in the realization of the freezing point of tin was 4.0 mK (κ=2) and it was shown that the measurement are comparable with international traceable standards.