Você pode não saber, mas a termodinâmica está presente no seu dia a dia de trabalho. Essa palavra tem origem na língua grega e indica a relação entre a energia térmica (therme) e a força mecânica (dynamis).
Essa é a área da ciência que estuda os processos de transferência de calor, envolvendo aspectos como a variação da temperatura, da pressão e do volume.
O ciclo de refrigeração é totalmente baseado na termodinâmica: ele está ligado à remoção do calor de um corpo (objeto ou substância), transferindo-o para outro, como pode ser visto na ilustração da página 18.
Nesse processo, o calor sempre flui do corpo com temperatura mais alta para aquele que tem temperatura mais baixa.
Nessas trocas térmicas, a transferência de calor pode ocorrer por meio de três diferentes processos, que são utilizados pela refrigeração ou têm impacto na sua eficiência:
• Convecção;
• Condução;
• Irradiação.
A convecção é o processo presente mais diretamente nos equipamentos de refrigeração com os quais você lida.
Ela ocorre principalmente nos fluidos (líquidos e gases). É resultado da circulação de um fluido, que pode ocorrer de forma natural, por causa de uma diferença de temperatura em partes desse fluido, ou forçada, por meio de um ventilador. As trocas de calor que ocorrem no evaporador e no condensador são exemplos de convecção.
Já a condução ocorre entre dois corpos a diferentes temperaturas, ou em um mesmo corpo, sempre do ponto mais quente para o mais frio. Está relacionada à condutividade térmica de cada material.
Em relação a esse processo, é importante lembrar que o que define um isolante térmico é a sua baixa condutividade térmica, que é fundamental para um sistema de refrigeração eficiente. É o caso, por exemplo, de materiais como o poliuretano usado para isolar os gabinetes, mantendo a temperatura interna do refrigerador mais baixa que a do ambiente externo.
A irradiação não é utilizada na refrigeração, mas têm influência sobre o desempenho dos equipamentos. Ela ocorre através de ondas eletromagnéticas, especialmente as radiações infravermelhas, mesmo sem que haja contato direto entre os corpos ou substâncias.
Um exemplo é o do aquecimento da Terra pelo Sol, em que não existe esse contato direto, mas há transferência de calor. Outras fontes de calor – como máquinas e o próprio fogo – provocam o mesmo efeito.
No que se refere à irradiação, merece ser lembrada a importância de manter equipamentos de refrigeração distantes de todo tipo de fonte de calor, para que o aquecimento não comprometa seu desempenho.
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CONHEÇA AS LEIS DA TERMODINÂMICA
Os conceitos da termodinâmica começaram a ser desenvolvidos no século 17, com os primeiros experimentos científicos sobre pressão, temperatura e volume. Os estudos avançaram ao longo do tempo até que em 1824 o cientista francês Sadi Carnot publicasse um texto que foi a base da termodinâmica moderna.
Foram desenvolvidas, depois de Carnot, definições usadas até hoje para os princípios dessa ciência, que são conhecidas como as Leis da Termodinâmica.
Lei zero da Termodinâmica: Se dois corpos estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, estarão em equilíbrio térmico entre si.
Foi essa lei que permitiu a definição de escalas de temperatura, como as expressas em graus Celsius, Fahrenheit ou Kelvin.
Primeira Lei da Termodinâmica: O calor recebido por um sistema é igual à soma entre a variação da energia interna do sistema e o trabalho efetuado pelo sistema.
Essa lei é que tem mais a ver com os refrigeradores modernos, pois define que é possível elevar a temperatura de um sistema tanto pela adição de calor (energia térmica) como efetuando trabalho sobre ele.
Segunda Lei da Termodinâmica: existem três formas de expressar essa lei, que foram desenvolvidas na sequência por cientistas que perceberam a necessidade de destacar determinados aspectos:
• É impossível remover energia térmica de um sistema a uma certa temperatura e converter essa energia integralmente em trabalho mecânico sem que haja uma modificação no sistema ou em suas vizinhanças. (Enunciado de Kelvin)
• Não existe nenhum processo em que o único efeito de energia térmica seja o de transferir energia de um corpo frio para outro quente. (Enunciado de Clausius)
• É impossível que uma máquina térmica, operando em ciclos, tenha como único efeito a extração de calor de um reservatório e a execução de trabalho integral dessa quantidade de energia. (Enunciado de Kelvin-Planck).
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O ciclo de refrigeração e a termodinâmica
É importante saber que os refrigeradores convencionais operam com base no ciclo de compressão mecânica de vapor. Mas o que isso significa?
Primeiro, é preciso lembrar que esse ciclo tem como base o processo de mudança do estado físico do fluido refrigerante (de líquido para gasoso e vice-versa). Essas substâncias se condensam (se liquefazem, ou seja, tornam-se líquidas) a altas pressões e evaporam (tornam-se gases) a baixas pressões.
A geração do frio nos sistemas de refrigeração se dá justamente pela mudança de estado desse fluido refrigerante de líquido para gasoso.
Esse processo depende do trabalho realizado pelo compressor – que utiliza energia mecânica para comprimir o fluido refrigerante vindo do evaporador na fase gasosa.
Com essa compressão, a pressão e a temperatura do fluido refrigerante aumentam. Quando entra no condensador, o fluido refrigerante transfere calor para o meio ambiente, fazendo com que a sua temperatura diminua e ocorra a condensação, que é o processo de mudança de fase de gasoso para líquido.
Na sequência, o fluido refrigerante passa pelo elemento de controle – tubo capilar ou válvula de expansão –, que, por meio de um estreitamento ou restrição, torna mais lenta a sua passagem para o evaporador, fazendo com que a sua pressão diminua.
O fluido refrigerante chega líquido e sob baixa pressão ao evaporador, ao longo do qual vai mudando de fase novamente, de líquido para gasoso. Ao mudar de fase, absorve o calor presente nos itens acondicionados no gabinete do refrigerador e retorna ao compressor, reiniciando-se o ciclo de refrigeração.
