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.
Na segunda parte do texto -
O refrigerador como máquina térmica - 2-estudaremos a termodinâmica desses ciclos.
Os humanos tentam usar gelo para conservar alimentos desde o século 18, mas foi a geladeira que resolveu a nossa vida. Elas evoluíram e ganharam freezer, bebedouro, compartimento que faz cubos de gelo e outras firulas. Agora começam a ficar "inteligentes". Ainda assim, o princípio de funcionamento básico é o mesmo.
O grande lance é que elas contam com um fluido refrigerante, um produto químico que passa por uma mudança de fase de líquido para gás (e que já esteve envolvido em polêmicas ambientais). No processo, ele absorve calor e resfria o interior da geladeira.
Dentro da geladeira, existem duas partes fundamentais:
- o compressor, que suga o líquido e transfere-o sob pressão de uma câmara para outra
- o condensador, que é a serpentina que fica trás da geladeira, onde o vapor comprimido pelo compressor se liquefaz e libera calor para o ambiente.
O processo de refrigeração ocorre quando o fluido, que está armazenado em alta pressão, é movimentado por tubos pela ação de um compressor. O compressor impulsiona o fluido, forçando sua passagem num estreitamento da tubulação, no qual ele se vaporiza e se expande.
Agora com sua temperatura reduzida, esse gás circula em uma serpentina dentro da câmara no congelador, descendo para a câmara principal do refrigerador. A troca de calor entre a serpentina na qual circula o fluido gaseificado e o ar contido na câmera faz com que ocorra a absorção do calor do interior do refrigerador, levando assim ao seu esfriamento.
Por outro lado, esse caminho faz com que o gás tenha a sua temperatura aumentada. Ele retorna então ao compressor, onde é submetido a uma alta pressão e volta a ser líquido. Esse ciclo continua indefinidamente.
Nas geladeiras mais modernas, cujo freezer fica separado do refrigerador, cada compartimento têm um circuito de refrigeração individual.
Para controlar a temperatura em seu interior, o refrigerador monitora a temperatura por meio de sensores. Isso determina quando e por quanto tempo o compressor será acionado para baixar a temperatura dentro do eletrodoméstico.
Qual é a temperatura mínima de uma geladeira?
Isso varia muito de acordo com o modelo, mas os freezers podem manter uma temperatura interna próxima dos -20° C, graças a um compressor bem mais potente e que permite uma maior compressão do fluído e, como consequência, uma maior troca de calor dentro da câmara de resfriamento. O tamanho da geladeira e potência dos compressores influenciam esses valores.
O que é uma geladeira "frost free"?
É um aparelho cujo congelador não acumula gelo, o que acaba com a necessidade de descongelar o compartimento para limpeza. Para isso, é comum o uso de duas tecnologias diferentes: bomba de calor ou resistência elétrica.
Independentemente da tecnologia empregada, o dispositivo é acionado de tempos em tempos após pequenos intervalos de tempo de funcionamento da geladeira, visando produzir calor suficiente para derreter o gelo das laterais do congelador. A água resultante do descongelamento é transportada para um pequeno reservatório do eletrodoméstico por meio de canalização interna. Essa água fica acumulada acima do compressor, onde é aquecida e evapora.
Como funciona o freezer na parte de baixo?
Ainda que o mais comum seja encontrarmos geladeiras com o freezer na parte superior - -o que aproveita o fato de o ar frio ser mais denso e "cair" para o refrigerador —há modelos invertidos.
O funcionamento é o mesmo de um refrigerador tradicional, uma vez que esses aparelhos usam circuitos de refrigeração independentes para cada uma das câmaras. A disposição do freezer na parte inferior tem mais a ver com praticidade.
Guardar objetos quentes pode quebrar a geladeira?
A geladeira não vai quebrar se você guardar algo quente ou deixar a porta da geladeira aberta por muito tempo. O problema é que o consumo de energia aumenta. Com um objeto quente, aumenta a temperatura interna, o que exige mais potência do compressor para retornar a temperatura ao patamar desejado.
Posso secar roupas atrás da geladeira?
Olha, poder até pode. Afinal, a parte de trás das geladeiras são mais quentes pela troca de calor entre gás e ambiente. Mas isso também pode exigir mais da sua geladeira e aumentar o consumo. Além disso, há o risco de choque elétrico, uma vez que algumas áreas da traseira do aparelho são energizadas. Melhor não, né?
Toda quinta, Tilt mostra que há tecnologia por trás de (quase) tudo que nos rodeia. Tem dúvida de algum objeto? Deixe nos comentários que vamos investigar!
Fonte: Wânderson de Oliveira Assis, coordenador do curso de Engenharia Eletrônica do Instituto Mauá de Tecnologia