quarta-feira, 17 de novembro de 2010

Termodinâmica: Como funciona um refrigerador...

Introdução 

     Um refrigerador doméstico guarda os alimentos a uma temperatura que vai de 3 a 5 graus celsius. Nestas temperaturas, as atividades dos microorganismos responsáveis pela deteriorização dos alimentos não cessam, mas se tornam mais lentas. Os alimentos podem permanecer comestíveis por alguns dias.
     No interior do congelador, as temperaturas ficam por volta de -18 graus celsius. Nestas temperaturas praticamente cessam aquelas atividades de deterioração. Os alimentos podem permanecer comestíveis por algumas semanas.

Esquema de um Refrigerador 

     Um refrigerador doméstico é uma máquina composta basicamente de um fluido refrigerante que é forçado a percorrer um circuito tubular contendo, em regiões distintas, um compressor, um condensador, um tubo capilar (ou uma válvula de expansão) e um evaporador.





     O fluido refrigerante deve possuir características especiais como, por exemplo, baixa temperatura de vaporização (ou de condensação) com um valor grande para o calor latente correspondente e, ainda, deve requerer pressões relativamente baixas para passar do estado gasoso ao estado líquido, mesmo à temperatura ambiente.
     O compressor é uma bomba de sucção acionada por um motor elétrico, que retira fluido refrigerante do ramo da tubulação que o antecede, baixando sua pressão, e injeta esse fluido refrigerante no ramo da tubulação que o sucede, aumentando sua pressão. Assim, o compressor impulsiona o fluido refrigerante através do circuito tubular.
     O condensador é constituído por um longo tubo em forma de serpentina com um conjunto de varetas metálicas, formando uma grade radiadora, e está colocado por fora e por trás do refrigerador. Ao entrar e sair do compressor, o fluido refrigerante se apresenta no estado gasoso e no condensador, tanto pelo efeito do aumento de pressão causado pelo compressor quanto pelo efeito da perda de energia na forma de calor para o meio ambiente, o fluido refrigerante passa ao estado líquido.
     O tubo capilar é um tubo com um diâmetro interno de cerca de meio milímetro. O fluido refrigerante, que entra no tubo capilar no estado líquido, expande-se rapidamente ao sair, passando ao estado gasoso. Esta expansão se dá no evaporador.
     O evaporador é constituído por um tubo em forma de serpentina acoplado ao congelador. Para passar ao estado gasoso, o fluido refrigerante absorve energia na forma de calor do congelador e de tudo o que estiver ali dentro. Ao abandonar o evaporador, o fluido refrigerante chega ao compressor e o ciclo recomeça.
     O congelador é colocado na parte superior do refrigerador para que se formem correntes de convecção internas, possibilitando a mistura do ar a baixa temperatura do congelador e de sua vizinhança com o ar a temperatura mais alta das outras partes. Essas correntes de convecção se formam da seguinte maneira.
     A pressão do ar no interior do refrigerador é uniforme e, por isso, o ar do congelador e de sua vizinhança, estando a temperatura mais baixa, é mais denso que o ar das outras partes. Sendo mais denso, esse ar desce, empurrando o ar das outras partes para cima. As prateleiras do refrigerador têm forma de grade para não impedir ou dificultar o movimento de convecção.
     No interior do refrigerador existe um botão de regulagem que permite selecionar a temperatura interna de operação do sistema. Um termostato interrompe o circuito elétrico de alimentação do motor elétrico que faz funcionar o compressor quando essa temperatura é atingida.
     Com o refrigerador assim desligado, a temperatura do seu interior passa a aumentar por efeito da absorção de energia na forma de calor do ambiente. A partir de uma certa temperatura, o termostato reconecta o circuito elétrico de alimentação do motor elétrico que faz funcionar o compressor e um novo ciclo de refrigeração tem início.
     Desta forma, o termostato permite manter uma temperatura mais ou menos constante no interior do refrigerador.

Ciclo Termodinâmico 

     Sob o ponto de vista da termodinâmica, um refrigerador é uma máquina térmica que funciona em ciclos. A figura representa esquematicamente esse ciclo (contínuo) como dividido em cinco processos.


     Compressão Adiabática: 1  2

     O compressor aumenta a pressão do fluido refrigerante reduzindo seu volume. Como esse aumento de pressão acontece muito rapidamente, o fluido perde muito pouca energia na forma de calor para a vizinhança e o processo pode ser considerado como sendo adiabático.
     O trabalho realizado pelo compressor produz um aumento na energia interna do fluido e a sua temperatura aumenta.
     Durante todo o processo, o fluido permanece no estado gasoso.

     Resfriamento Isobárico: 2  3

     No condensador, o fluido refrigerante começa a perder energia na forma de calor. Como o compressor mantém alta e constante a pressão do fluido, seu volume e sua temperatura diminuem.
     Durante esse processo, o fluido ainda permanece no estado gasoso.

     Condensação: 3  4

     Ainda no condensador e a alta pressão, o fluido refrigerante perde mais e mais energia na forma de calor. Com isso, seu volume e sua temperatura diminuem mais e mais e ele passa do estado gasoso para o estado líquido.

     Expansão Adiabática: 4  5

     O fluido refrigerante no estado líquido e a alta pressão atravessa o tubo capilar. Na saída do tubo capilar, o fluido se expande. Como essa expansão acontece muito rapidamente, o fluido troca muito pouca energia no forma de calor com a vizinhança e o processo pode ser considerado como sendo adiabático.
     A pressão e a temperatura do fluido diminuem e parte do fluido se vaporiza. Assim, na saída do tubo capilar, o fluido se apresenta como gotículas de líquido suspensas em vapor a baixa pressão.
     A baixa pressão depois do tubo capilar é um efeito do funcionamento do compressor, que retira fluido no estado gasoso desta parte do circuito para comprimi-lo no condensador.

     Vaporização Isobárica: 5  1

     No evaporador, a uma pressão baixa e constante, as gotículas remanescentes são vaporizadas, absorvendo energia na forma de calor do congelador e de tudo o que estiver ali dentro.
     Saindo do evaporador, o fluido se apresenta totalmente no estado gasoso e a baixa pressão e daí vai para o compressor.

Fluidos Refrigerantes 

     Até por volta de 1930, eram usados como fluidos refrigerantes principalmente a amônia (NH3), o butano (C4H10), o isobutano [HC(CH3)3], o propano (C3H8), o dióxido de enxofre (SO2) e o cloreto de metil (CH3Cl).
     Contudo, como são substâncias tóxicas e/ou explosivas, podendo colocar em risco a vida humana em caso de vazamento, foram abandonadas (exceto em algumas aplicaçães mais ou menos especializadas) e substituídas pelos clorofluorcarbonetos (CFC’s).
     A amônia, em particular, sendo o fluido de maior efeito refrigerante, continua sendo utilizada em instalações de grande porte como fábricas de gelo, armazéns frigoríficos, equipamentos de refrigeração industrial e em pistas de patinação, onde conta o fator energético e onde podem ser implementados procedimentos de segurança.
     Além de equipamentos de refrigeração, os CFC’s passaram a ser usados em aparelhos condicionadores de ar, em borrifadores (sprays), na fabricação de espuma de poliestireno (isopor) e em uma série de outros produtos.
     Os CFC's são compostos orgânicos cujas moléculas contêm carbono e flúor e, em muitos casos, outros halogênios, principalmente o cloro, se apresentam no estado líquido ou gasoso a temperatura ambiente e são não tóxicos, incolores, sem cheiro, não inflamáveis e não corrosivos.
     Alguns dos CFC's mais usados atualmente são: R11 (CCl3F), R12 (CCl2F2), R22 (CHClF2) e R502 (mistura de 48,8% de CHClF2 com 51,2% de C2ClF5).
     Desde a sua criação, os CFC’s foram liberados na atmosfera sem maiores preocupações porque eram considerados gases seguros e estáveis.
     O dano na camada de ozônio causado pelos CFC's foi descoberto na década de 1970. Então, acordos internacionais foram estabelecidos para eliminar progressivamente o uso desses produtos e foram desenvolvidos, para serem usados numa fase intermediária de transição, os hidroclorofluorcarbonos (HCFC's), compostos à base de hidrogênio, cloro, flúor e carbono, que danificam muito menos a camada de ozônio.
     Atualmente, são usadas como fluidos refrigerantes principalmente misturas binárias de CFC's com HFC's (hidrofluorcarbonos) ou com HCFC's.
     A retirada completa dos CFC's do mercado está prevista para 2010 e a retirada dos HCFC's para 2030. O objetivo final é manter apenas os HFC's, compostos de hidrogênio, flúor e carbono, que não causam dano à camada de ozônio.

Radiação Ultravioleta 

     O Sol emite radiação eletromagnética num amplo espectro de comprimentos de onda ou de freqüências. Quanto menor o comprimento de onda ou maior a freqüência da radiação, maior a sua energia e, potencialmente, maior o dano que pode causar.
     A radiação eletromagnética visível tem comprimentos de onda no intervalo de 0,7 x 10-6 m a 0,4 x 10-6 m.
     A radiação ultravioleta tem comprimentos de onda no intervalo de 0,4 x 10-6 m a 0,1 x 10-6m e conforme seus efeitos biológicos, é classificada nos tipos A, B ou C.

     Ultravioleta A (UVA)

     Comprimento de onda entre 0,4 x 10-6 m a 0,32 x 10-6 m.
     A radiação ultravioleta do tipo A não é absorvida pela camada de ozônio.
     Essa radiação penetra mais profundamente na pele e está envolvida na produção de vitamina D pela pele e nos estágios iniciais do fenômeno do bronzeamento. Ainda, essa radiação tende a suprimir a função imunológica e está implicada na formação de câncer de pele e no envelhecimento prematuro da pele.

     Ultravioleta B (UVB)

     Comprimento de onda entre 0,32 x 10-6 m a 0,29 x 10-6 m.
     A radiação ultravioleta do tipo B é parcialmente absorvida pela camada de ozônio. Ao nível do solo, é mais intensa entre 10h e 14h, quando o Sol está mais alto no céu. E, ao longo do ano, é mais intensa nos meses de verão.
     Essa radiação penetra relativamente pouco na pele e é o agente primário nas queimaduras solares. Ainda, essa radiação está implicada na formação da catarata e de câncer de pele e é responsável pela maior parte dos danos de tecido que ocasionam rugas e envelhecimento precoce da pele.

     Ultravioleta C (UVC)

     Comprimento de onda entre 0,29 x 10-6 m a 0,1 x 10-6 m.
     A radiação ultravioleta do tipo C é quase completamente absorvida pela camada de ozônio e, por isso, não tem efeito biológico importante.

Formação da Camada de Ozônio 

     As moléculas que compõem o gás oxigênio são biatômicas [O2] e as moléculas que compõem o gás ozônio são triatômicas [O3].
     O ozônio está presente em toda a atmosfera mas aparece em maior concentração na troposfera superior e na estratosfera, constituindo ali o que se chama propriamente de camada de ozônio.


     A camada de ozônio tem cerca de 20 km de espesura, estendendo-se de uma altitude de 15 km a uma altitude de 35 km aproximadamente.
     O ozônio da estratosfera, que representa cerca de 90% do ozônio da atmosfera, é criado por mecanismos fotoquímicos.
     A radiação ultravioleta (do espectro eletromagnético) proveniente do Sol, incidindo sobre moléculas de oxigênio, rompe as ligações moleculares e produz átomos livres de oxigênio. Esses átomos livres se combinam com moléculas de oxigênio produzindo moléculas de ozônio:

[1]   O2 + g  O + O

[2]   O2 + O  O3

     As moléculas de ozônio da estratosfera têm vida longa. De qualquer modo, quando essas moléculas são atingidas pela radiação ultravioleta, elas se quebram em átomos livres e moléculas de oxigênio:

[3]   O3 + g  O + O2

     Esses três processos constituem o ciclo contínuo de criação de moléculas de ozônio na estratosfera.
     Quanto ao ozônio da troposfera, aproximadamente 10% vem da estratosfera e o restante é criado ali mesmo por outros mecanismos.

Destruição da Camada de Ozônio 

     O ozônio atmosférico está constantemente sendo formado e destruído. E se não fosse a ação humana, a sua concentração média permaneceria constante.
     A camada de ozônio é importante porque absorve grande parte da radiação ultravioleta do tipo B proveniente do Sol (processo [3] acima). O resultado da diminuição da concentração de ozônio é o que se chama de buraco na camada de ozônio.
     Essa diminuição da concentração de ozônio se deve à presença dos CFC's e, atualmente e em menor escala, também dos HCFC's, que sobem até a estratosfera quando liberados para o ambiente.
     Para discutir a destruição das moléculas de ozônio considere-se, dentre os CFC's, o CF2Cl2.
     Quando a radiação ultravioleta é absorvida por moléculas de CF2Cl2, elas se quebram, produzindo átomos de cloro livres:

[4]   CF2Cl2 + g  CF2Cl + Cl

     Os átomos livres de cloro reagem com moléculas de ozônio e, como resultado, aparecem moléculas de ClO e moléculas de oxigênio:

[5]   Cl + O3  ClO + O2

     As moléculas de ClO, por sua vez, reagem com átomos de oxigênio livres (presentes devido às reações [1] e [3] acima) e, como resultado, átomos livres de cloro voltam a aparecer:

[6]   ClO + O  Cl + O2

     Esses átomos de cloro podem participar de novas reações de destruição de moléculas de ozônio (reação [5] acima).
     Os átomos de cloro funcionam como catalisadores. O mesmo átomo de cloro proveniente de uma dada molécula de CFC pode participar de milhares de reações do tipo [5]. Se a temperatura ambiente for baixa, como é o caso da Antártica, o número de reações nas quais o mesmo átomo de cloro pode participar é ainda maior.
     Assim, uma única molécula de CFC pode ser responsável pela destruição de milhares de moléculas de ozônio.

Economia 

     O refrigerador funciona mais eficientemente se o congelador não é isolado do resto do interior por camadas de gelo, se não são obstacularizadas nem as correntes de convecção internas nem a troca de energia na forma de calor do condensador com o meio ambiente.
     Nesse sentido, as seguintes dicas são úteis para não gastar mais do que o necessário.
  • Posicione o refrigerador em local ventilado e afastado do fogão e da radiação solar direta.
  • Mantenha a porta do refrigerador aberta apenas o necessário.
  • Não coloque guardanapos ou toalhinhas nas prateleiras.
  • Não guarde alimentos em excesso.
  • Faça degelos periódicos.
  • Não coloque roupas para secar no condensador.
  • Não guarde alimentos ainda quentes.
  • Mantenha em bom estado a borracha de vedação da porta.
FONTE:

obrigado pela visita

Related Posts with Thumbnails