O refrigerador doméstico
A geladeira funciona em ciclos, utilizando um fluido (freon 12) em um circuito fechado. Tem como partes essenciais o compressor, o condensador, uma válvula descompressora e o evaporador (congelador).
O motor compressor comprime o freon, aumentando a pressão e a temperatura e fazendo-o circular através de uma tubulação. Ao passar por uma serpentina permeada por lâminas, o condensador, o freon perde calor para o exterior, liquefazendo-se. O condensador fica atrás da geladeira; é a parte quente que você deve ter observado.
Ao sair do condensador, o freon liquefeito ainda a alta pressão chega a um estreitamento da tubulação (tubo capilar), onde ocorre uma diminuição da pressão. O capilar é a válvula de descompressão.
Quando o freon líquido e a baixa pressão chega à serpentina do evaporador, de diâmetro bem maior que o capilar, se vaporiza, retirando calor da região próxima (interior do congelador). O gás freon a baixa pressão e temperatura é então aspirado para o compressor, onde se inicia um novo ciclo.
O congelador é a parte mais fria, por isso sempre está localizado na parte superior da geladeira, e tem condições de trocar calor com todo o seu interior. O ar quente sobe, se resfria na região do congelador e depois desce, estabelecendo a convecção do ar. Por isso as prateleiras são vazadas.
Tal como na turbina a vapor e no motor a combustão, a geladeira trabalha com uma substância de operação, tem partes que funcionam a altas temperaturas (fonte quente ) e a baixas temperaturas (fonte fria).
Enquanto na turbina e no motor o calor flui espontaneamente da fonte quente para a fria (água de refrigeração e atmosfera), na geladeira o fluxo de calor não é espontâneo.
Na geladeira a troca de calor se dá do mais frio (interior da geladeira) para o mais quente (meio ambiente). Para que isso ocorra, se realiza um trabalho externo sobre o freon para que ele perca calor no condensador e se evapore no congelador.
Em cada ciclo, 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 realizado pelo compressor.
Primeiro Princípio da Termodinâmica
Etapas do ciclo da geladeira
1) Compressor: devido à rapidez com que ocorre a compressão, esta pode ser considerada adiabática. A temperatura e a pressão se elevam. Como não há trocas de calor (Q = 0), o trabalho realizado pelo compressor é equivalente à variação de energia interna da substância (1 → 2);
2) Radiador: inicialmente ocorre uma diminuição de temperatura a pressão constante
(2 → 3), seguida de uma diminuição isobárica e isotérmica do volume na condensação (3 → 4). O calor trocado corresponde ao calor de esfriamento e ao calor de condensação.
3) Válvula descompressora: essa descompressão pode ser considerada adiabática devido à rapidez com que ocorre. A pressão diminui e o volume aumenta (4 → 5);
4) Congelador: o freon troca calor com o interior da geladeira a pressão e temperatura constantes, expandindo-se à medida que se vaporiza (calor latente de vaporização) (5 → 1)
O segundo princípio da Termodinâmica.
Da discussão do funcionamento do motor a combustão e da geladeira podemos perceber que:
- É possível transformar energia mecânica (trabalho) totalmente em calor. Lembre-se da experiência de Joule.
- O calor flui espontaneamente da fonte quente para a fria. Lembre-se de que as peças do motor e o ambiente sempre se aquecem.
Mas esses processos não ocorrem em sentido contrário; eles são irreversíveis. Este é o segundo princípio da Termodinâmica, que pode ser enunciado como:
"É impossível construir uma máquina que, operando em ciclos, transforme todo o calor em trabalho" ou "O calor não flui espontaneamente da fonte fria para a fonte quente".
Na geladeira é o trabalho externo do compressor que faz com que o calor seja retirado do interior da geladeira. Esse princípio da Termodinâmica vale também para os processos naturais, como a germinação de uma semente, o envelhecimento do organismo e o aquecimento do meio ambiente; eles são irreversíveis.
