Termodinâmica III

O refrigerador como máquina térmica (1)

A termodinâmica é uma área da física que estuda as leis que regem as relações entre as diferentes formas de energia e a transformação de um tipo de energia em outro. A termodinâmica causou importantes impactos no avanço da tecnologia e, portanto, no desenvolvimento da civilização. As máquinas térmicas impulsionaram, por exemplo, a Revolução Industrial.

Hoje, muitas máquinas que fazem parte do nosso dia-a-dia operam segundo princípios termodinâmicos (automóvel, geladeira, caldeira, freezer, ar-condicionado, etc.).

Estudaremos a seguir o funcionamento dos refrigeradores - ou geladeiras -, que podem ser considerados como um tipo de máquina térmica, pois há vários princípios físicos em uma máquina que utiliza a vaporização de uma substância (no caso, o gás refrigerante) para retirar calor dos seus compartimentos. Ou seja, para diminuir sua temperatura interna.

Os primeiros refrigeradores, semelhantes aos que temos hoje, surgiram na década de 1850, mas foi só no início do século 20 que eles começaram a ser adquiridos pelas famílias, para uso doméstico.

O refrigerador foi uma invenção importante, pois, antigamente, o armazenamento e o transporte de alimentos perecíveis eram muito difíceis, exatamente pelo fato de não existir uma máquina que provocasse o resfriamento das substâncias e, também, mantivesse as temperaturas baixas. Nos dias atuais, podemos, por exemplo, conservar leite, carne, peixe, iogurte e frutas por um bom tempo, sem nenhum problema, obtendo uma maior durabilidade dos produtos.

O refrigerador doméstico e o ciclo de refrigeração

A geladeira funciona em ciclos, usando um gás refrigerante num circuito fechado. Assim, o gás circula permanentemente, sem perdas, a não ser que haja um vazamento no aparelho.

Antigamente, as geladeiras usavam o gás freon 12 (clorofluorcarbono), que é um gás apropriado para essa tarefa: tem elevado valor de calor latente de condensação e baixa temperatura de ebulição, além de não ser inflamável. Mas esse gás foi identificado como um dos que agridem a camada de ozônio. Desde então, os fabricantes vêm substituindo, gradativamente, o freon 12 por outros gases, com propriedades semelhantes e inofensivos para a camada de ozônio - como o HFC-134A.

As partes principais de uma geladeira doméstica são: compressor, condensador, válvula descompressora e evaporador. O compressor é movido por um motor elétrico (por isso você liga a geladeira na tomada). Ele tem a função de aumentar a pressão e a temperatura do gás refrigerante, fazendo-o circular pela tubulação interna do aparelho.

Quando o gás passa pelo condensador, perde calor para o meio externo, liquefazendo-se - ou seja, tornando-se líquido. Ao sair do condensador, um estreitamento da tubulação (tubo capilar) provoca uma diminuição da pressão. Assim, o elemento refrigerante, agora líquido e sob baixa pressão, chega à serpentina do evaporador (que tem diâmetro maior que o tubo capilar), se vaporiza e, assim, retira calor da região interna da geladeira.

É importante notar que o evaporador está instalado na parte superior (congelador) da geladeira. A partir desse ponto, o ciclo se reinicia e o gás refrigerante é puxado outra vez para o compressor.

A termodinâmica do ciclo

Podemos verificar, em cada ciclo que ocorre no refrigerador, que a quantidade de calor cedida para o meio ambiente através do condensador é igual à quantidade de calor retirada do interior da geladeira, mais o trabalho gerado pelo compressor.

Para acionar o compressor, gastamos energia elétrica, já que ele é ligado à rede elétrica de nossas residências (ou seja, transferimos energia de um sistema para outro - o que, em física, chamamos de "trabalho").

Q_condensador = Q_congelador + T_compressor

Como a compressão é efetuada de maneira extremamente rápida, podemos considerar que é uma compressão adiabática. Assim, no processo, a pressão e a temperatura do gás refrigerante se elevam.

No condensador, temos uma diminuição da temperatura do gás refrigerante, feita sob pressão constante, seguida de uma rápida diminuição isobárica e isotérmica do volume da condensação.

Na válvula, como já sabemos, a intenção é a de provocar uma descompressão adiabática, diminuindo a pressão e aumentando o volume do gás refrigerante. Por fim, no evaporador (congelador), o gás troca calor com o interior da geladeira, em pressão e temperatura constantes - o que faz com que ele se expanda conforme vai se vaporizando.

O ciclo pode ser descrito, graficamente, dessa forma:

Legenda: 1-2: compressão com trabalho fornecido 2-3: condensador (isobárica) 3-4: condesador (isobárica) 4-5: perda de pressão ao passar pela válvula 5-1: recebe calor no evaporador (isobárica)

Curiosidades:

1. Na geladeira, o evaporador é colocado na parte superior, para que seja possível a formação de correntes de convecção. Pelo mesmo motivo, condicionadores de ar domésticos devem ser instalados nas partes mais altas dos cômodos.

2. Quando você desliga o ar-condicionado de seu carro em um dia quente é possível ouvir um "assobio" sob o capô. Esse barulho é o som do líquido refrigerante sob alta pressão, ao fluir pela válvula de expansão.

3. O termostato é um dispositivo que controla a temperatura interna da geladeira, acionando (ligando) o compressor cada vez que a temperatura do interior aumenta muito. Depois, ao atingir a temperatura ideal, ele desliga automaticamente o motor do compressor. Você pode regular isso no botão interno que a geladeira tem.

4. Os novos refrigeradores, que podem ser ligados no carro, não usam gelo. Eles são ligados diretamente no acendedor de cigarros do automóvel. Esse tipo de aparelho não opera por meio de ciclos, mas, para produzir baixas temperaturas, depende de um processo conhecido como Efeito Peltier (ou efeito termelétrico).