Curso de Refrigeração e AR condicionado A1

Curso de Refrigeração e AR condicionado

Termodinâmica

A termodinâmica é o ramo da física que estuda como o calor e a temperatura afetam os sistemas físicos. Ela investiga como os objetos respondem ao calor, como o calor pode ser transferido entre eles e como essa transferência de calor pode ser usada para fazer trabalho.

Em resumo, a termodinâmica trata das relações entre calor, trabalho e energia em sistemas físicos. É uma área muito importante que nos ajuda a entender desde o funcionamento dos motores de carros até a operação de refrigeradores e sistemas de ar condicionado.

1° Lei da Termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como princípio da conservação da energia, afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante. Em outras palavras, a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra.

Um exemplo prático da primeira lei da termodinâmica pode ser encontrado em um ciclo de refrigeração, como o ciclo de compressão de vapor usado em refrigeradores e sistemas de ar condicionado. Vou explicar brevemente como funciona:

1. Compressão: O refrigerante, geralmente um gás, é comprimido em um compressor, aumentando sua pressão e temperatura. Sai do compressor em estado de vapor com alta temperatura e alta pressão.
2. Condensação: Entra no condensador em estado de vapor e sai em estado de líquido. O refrigerante, agora na forma de um líquido de alta pressão e alta temperatura, passa por um condensador, onde ele libera calor para o ambiente circundante. Durante este processo, a energia térmica é transferida do refrigerante para o ambiente, reduzindo a energia interna do sistema.
3. Expansão: O refrigerante líquido de alta pressão passa através de uma válvula de expansão, onde a pressão é reduzida drasticamente. Isso faz com que parte do líquido evapore, retirando energia térmica do restante do líquido e diminuindo sua temperatura.
4. Evaporação: O refrigerante evaporado entra no evaporador, onde absorve calor do ambiente que se deseja refrigerar. Durante esse processo, a energia térmica é transferida do ambiente para o refrigerante, aumentando a energia interna do sistema.

Assim, nesse ciclo, a primeira lei da termodinâmica é aplicada, pois a energia total do sistema (energia interna do refrigerante mais a energia térmica absorvida do ambiente) permanece constante. O calor é transferido do ambiente para o refrigerante, permitindo a refrigeração do espaço desejado.

2° Lei da Termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica estabelece que o calor flui naturalmente de um corpo com uma temperatura mais alta para um corpo com uma temperatura mais baixa, e não o contrário, espontaneamente.

Além disso, ela afirma que não é possível converter completamente todo o calor extraído de uma fonte quente em trabalho útil em um ciclo termodinâmico contínuo. Isso é comumente expresso em termos de aumento da entropia de um sistema isolado ao longo do tempo.

Exemplo prático que ilustram a segunda lei da termodinâmica:

Refrigeradores e Ar Condicionado: Estes sistemas funcionam transferindo calor de um ambiente mais frio (interno) para um ambiente mais quente (externo), utilizando um fluido refrigerante. Mesmo que o trabalho seja realizado para extrair o calor do ambiente interno, sempre haverá alguma quantidade de calor residual que é liberada no ambiente externo, devido às limitações impostas pela segunda lei da termodinâmica.

3° Lei da Termodinâmica

A terceira lei da termodinâmica declara que é impossível atingir o zero absoluto de temperatura através de um número finito de processos físicos.

O zero absoluto é a temperatura teórica mais baixa possível, na qual as partículas não possuem movimento térmico algum.

Esta lei também afirma que, à medida que a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto, a entropia desse sistema também se aproxima de um valor mínimo.

Entropia:

Entropia é uma medida da desordem ou aleatoriedade em um sistema.

Em outras palavras, é uma medida da quantidade de energia que não pode ser usada para fazer trabalho. Quanto mais desordenado um sistema, maior é sua entropia.

Por exemplo, uma pilha de livros desorganizados tem mais entropia do que a mesma pilha de livros organizada em ordem alfabética.

Mais exemplos

Segunda Lei da Termodinâmica:

A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema isolado sempre tende a aumentar. Em outras palavras, a energia tende a se dispersar e se tornar menos organizada.

2. Entropia na Refrigeração:

• A refrigeração é um processo que cria uma região de baixa entropia (o interior do refrigerador) à custa de uma região de alta entropia (o ambiente externo).
• O ciclo de refrigeração envolve a transferência de calor do ambiente interno do refrigerador para o ambiente externo, aumentando a entropia do ambiente externo.
• O coeficiente de desempenho (COP) de um sistema de refrigeração também pode ser interpretado como a eficiência com que a entropia é transferida do ambiente interno para o ambiente externo.

3. Relação entre as Leis:

• A primeira lei da termodinâmica define a conservação da energia, enquanto a segunda lei define a direção dos processos termodinâmicos.
• Ambas as leis são necessárias para uma compreensão completa do funcionamento dos sistemas de refrigeração.

4. Exemplos:

• A impossibilidade de construir um refrigerador perfeito é uma consequência da segunda lei da termodinâmica.
• O uso de refrigerantes com menor potencial de efeito estufa é uma forma de minimizar o impacto ambiental dos sistemas de refrigeração.

Conclusão da primeira e da segunda Lei:

Embora a explicação se concentrasse na primeira lei da termodinâmica, a segunda lei também está presente na compreensão do funcionamento da refrigeração. A segunda lei define a direção em que o calor flui (do quente para o frio) e limita a eficiência com que a refrigeração pode ser realizada.

A terceira lei da termodinâmica tem alguma aplicação prática para a refrigeração?

Sim, a terceira lei da termodinâmica tem algumas aplicações práticas na refrigeração, embora seja menos direta do que a primeira e segunda leis. A terceira lei da termodinâmica, em sua forma mais conhecida, afirma que é impossível atingir a temperatura do zero absoluto (0 Kelvin ou -273,15°C) em um processo físico finito através de um número finito de etapas.

Embora a refrigeração prática não alcance o zero absoluto, a terceira lei ainda influencia o desenvolvimento e o entendimento de sistemas de refrigeração avançados de várias maneiras:

1. Criogenia: A terceira lei da termodinâmica é crucial para a criogenia, que lida com temperaturas extremamente baixas. A refrigeração criogênica é usada em uma variedade de aplicações, como a conservação de materiais biológicos, resfriamento de dispositivos supercondutores e pesquisa em física de altas energias.
2. Refrigeração de Ultra-baixa Temperatura: Embora não seja prático alcançar o zero absoluto, a terceira lei influencia o design de sistemas de refrigeração de ultra-baixa temperatura, que podem atingir temperaturas próximas ao zero absoluto. Esses sistemas são usados em laboratórios de pesquisa avançada, como física de partículas e física quântica.
3. Desenvolvimento de Novos Materiais: O estudo do comportamento de materiais em temperaturas extremamente baixas, influenciado pela terceira lei da termodinâmica, pode levar ao desenvolvimento de novos materiais com propriedades únicas, úteis em várias aplicações, incluindo refrigeração.

Embora a terceira lei da termodinâmica não tenha uma aplicação tão direta e generalizada na refrigeração quanto as duas primeiras leis, ela continua sendo fundamental para o entendimento e avanço de tecnologias de refrigeração em temperaturas extremamente baixas.