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Introdução

A descoberta de meios para utilização de fontes de energia diferentes da que os animais forneciam foi o que determinou a possibilidade da revolução industrial. A energia pode se apresentar na natureza sob diversas formas, mas, exceto no caso da energia hidráulica e dos ventos, deve ser transformada em trabalho mecânico por meio de máquinas, para ser utilizada pelo homem. A termodinâmica nasceu justamente dessa necessidade, e foi o estudo de máquinas térmicas que desenvolveu seus princípios básicos.

Termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre calor, temperatura, trabalho e energia. Abrange o comportamento geral dos sistemas físicos em condições de equilíbrio ou próximas dele. Qualquer sistema físico, seja ele capaz ou não de trocar energia e matéria com o ambiente, tenderá a atingir um estado de equilíbrio, que pode ser descrito pela especificação de suas propriedades, como pressão, temperatura ou composição química. Se as limitações externas são alteradas (por exemplo, se o sistema passa a poder se expandir), então essas propriedades se modificam. A termodinâmica tenta descrever matematicamente essas mudanças e prever as condições de equilíbrio do sistema.

Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de mostrar um pouco sobre a termodinâmica e a sua aplicação em equipamentos em que somos acostumados no dia-a-dia, mostrar o funcionamento desses equipamentos e no que a termodinâmica influencia neles, mostrando fórmulas, leis e exemplificando de forma com que seja bem esclarecido.

Introdução – Equipamentos Termodinâmicos

Em meados do século XIX o homem descobriu a propriedade criogênica de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido à expansão e começou a fazer gelo industrialmente em grande escala. A partir dessa época, então, tem início a atividade comercial de conservação de alimentos em grande escala. Não havia, sequer, os grandes entrepostos frigoríficos, mas sim as fábricas de gelo. Nos setores comerciais e residenciais este gelo industrial era usado para fazer essa conservação dos alimentos em pequena escala.

Assim a utilização dos sistemas de refrigeração virou indispensável nos dias de hoje. Geladeiras, ar condicionado, refrigeração industrial são os maiores exemplos que podem ser tomados para utilização do sistema de refrigeração. Como conseqüência, também é indispensável o uso da energia elétrica para o acionamento dos motores e outros equipamentos associados a esses sistemas.

Com objetivo de cada vez mais aprimorar a utilização, melhorar a economia de energia, aumentar o poder de resfriamento e conservação de baixas temperaturas, vários estudos são realizados nessa área com o intuito de evoluir cada vez mais os sistemas de refrigeração.

DEFINIÇÕES BÁSICAS

Calor – É a forma de energia transferida entre dois sistemas em virtude da diferença de temperatura entre eles.

Ciclo – Quando um sistema parte de um estado inicial passa por diversas transformações e retorna mesmo estado inicial, i. e, quando o estado inicial é idêntico ao estado final após as transformações sofridas.

Energia – É a capacidade de produzir trabalho. O estado de um sistema ser transformado pela adição ou extração de energia.

Calor e trabalho são diferentes formas de energia em trânsito, não são contidos em nenhum sistema.

Tanto o calor como o trabalho são funções do caminho e dependem, portanto do processo (Eles não são propriedades ou sistemas).

Energia, calor e trabalho são expressos em joules (J) = Newton. m (Nm)

Energia mecânica –

Entropia – Entropia indica o grau de desorganização do universo. Faz considerações sobre o grau de liberdade das moléculas (átomos)

Estado – o estado de um sistema é a sua condição a qual é definida por suas propriedades.

Grandeza específica – é quando a grandeza é relacionada à unidade de massa.

Processo – é uma transformação ou série de transformações no estado do sistema.

Processo Reversível – Um processo é reversível se o sistema e sua vizinhança podem ser reconduzidos aos seus estados iniciais pela reversão do processo. Um processo reversível em uma máquina com escoamento somente é possível quando há ausência de atrito no fluído e transferência de calor com diferenças de temperatura com degraus muito pequenos. Por ser um processo ideal somente serve como referência na comparação com processos reais equivalentes.

Processo irreversível – No irreversível o estado inicial não é atingido pela reversão do processo.

Como sempre há atrito e as diferenças de temperatura são finitas todos os processos reais são irreversíveis.

Processo Adiabático – Quando não há transferência de calor entre o sistema e a vizinhança durante o processo.

– Sistema é isolado

– Aumenta (diminui) a temperatura da vizinhança na mesma proporção do sistema

– Executa o processo rapidamente.

Sistema – um conjunto arbitrário de matéria tendo uma fixada identidade.

– fora do sistema têm-se a vizinhança

– a interface entre sistema/vizinhança chama-se fronteira

Sistema fechado – quantidade fixada de matéria – não há fluxo de matéria – há troca de calor e trabalho; a fronteira pode mudar (pistão).

Sistema aberto – há um fluxo contínuo de matéria através das fronteiras – volume de controle (superfície de controle). A quantidade da matéria ocupando o volume de controle varia com o tempo!

Temperatura – É a medida do potencial térmico do sistema. Identifica, portanto, o estado do sistema.

Trabalho – É aquilo que o sistema transfere à sua vizinhança quando suas fronteiras são deslocadas pela ação de uma força.

Trabalho = forma x distância (na direção das forças).

Resfriamento: Tudo aquilo que conseguimos resfriar até a temperatura ambiente. Ex: Uma xícara de café quente em cima da mesa.

Refrigeração: Tudo aquilo que conseguimos resfriar abaixo da temperatura ambiente. Ex: Uma geladeira residencial.

AGENTES REFRIGERANTES

É uma substância usada para a transferência de calor num sistema de refrigeração.

Esses agentes têm como características principais:

- Ser volátil ou capaz de evaporar;

- Calor latente elevado;

- Ser seguro, não combustível ou explosivo;

- Ser inofensivo às pessoas;

- Custo razoável e existir em abundância;

- Ser estável;

- Não ter efeito prejudicial sobre os demais componentes do sistema;

- Ter pressões razoáveis;

- Bom desempenho;

- Temperatura crítica acima da de condensação.

Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor

Se um líquido for introduzido num vaso onde existe, inicialmente, um grau de vácuo e cujas paredes são mantidas a temperatura constante, ele se evaporará imediatamente. No processo, o calor latente de vaporização, ou seja, o calor necessário para a mudança do estado líquido para o estado vapor é fornecido pelas paredes do vaso. O efeito de resfriamento resultante é o ponto de partida do ciclo de refrigeração.

À medida que o líquido se evapora, a pressão dentro do vaso aumenta, até atingir, eventualmente, a pressão de saturação para a temperatura considerada. Depois disso, nenhuma quantidade de líquido evaporará, e, naturalmente, o efeito de resfriamento cessará. Qualquer quantidade adicional de líquido introduzido permanecerá neste estado, isto é, como líquido, no fundo do vaso.

Se for removida parte do vapor do recipiente, conectando-o ao lado de sucção de uma bomba, a pressão tenderá a cair. O que provocará evaporação adicional do líquido. Neste aspecto, o processo de resfriamento pode ser considerado contínuo. E, para tal, necessitasse: de um fluido adequado, o refrigerante; um recipiente onde a vaporização e o resfriamento sejam realizados, chamado de “evaporador”; e um elemento para remoção do vapor, chamado de “compressor”.

O sistema apresentado até agora não é prático, pois envolve um consumo contínuo de refrigerante. Para evitar este problema, é necessário converter o processo num ciclo. Para fazer o vapor retornar ao estado líquido, o mesmo deve ser resfriado e condensado. Usualmente, utiliza-se a água ou o ar como meio de resfriamento, os quais se encontram a uma temperatura substancialmente mais elevada do que a temperatura reinante no evaporador. A pressão de vapor correspondente à temperatura de condensação deve, portanto, ser bem mais elevada do que a pressão no evaporador. O aumento desejado de pressão é promovido pelo compressor.

A liquefação do refrigerante é realizada num condensador, que é, essencialmente, um recipiente resfriado externamente pelo ar ou água. O gás refrigerante quente (superaquecido), com alta pressão, é conduzido do compressor para o condensador, onde é condensado. Resta agora completar o ciclo, o que pode ser feito pela inclusão de uma válvula ou outro dispositivo regulador, que será usado para injeção de líquido no evaporador. Este é um componente essencial de uma instalação de refrigeração e é chamado de “válvula de expansão” (1).

Figura - A geladeira doméstica: um exemplo de ciclo de compressão de vapor.

Ar Condicionado

Basicamente, a exemplo do que ocorre com um refrigerador (geladeira), a finalidade do ar condicionado é extrair o calor de uma fonte quente, transferindo-o para uma fonte fria. Isto é possível através do sistema evaporador e condensador.

No aparelho de ar condicionado existe um filtro, em forma de lençol, no qual passa o ar antes de ir para o evaporador, o que permite eliminar umidade e impurezas.

Componentes

  1. Ventilador

Em um aparelho de ar condicionado existe o ventilador elétrico, para forçar a passagem do ar. Comumente, utiliza-se um motor com eixo duplo, sendo numa extremidade, colocado um ventilador do evaporador e noutra o ventilador do condensador (2).

Figura - Motor Elétrico

b) Grupo Refrigerador

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